avaliaÇÃo de viabilidade de aplicaÇÃo de aerogerador...

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AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR DE PEQUENO PORTE EM UMA POUSADA EM ARRAIAL DO CABO Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Jorge Luiz do Nascimento Rio de Janeiro Março de 2019

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Page 1: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

AVALIACcedilAtildeO DE VIABILIDADE DE APLICACcedilAtildeO DE AEROGERADOR DEPEQUENO PORTE EM UMA POUSADA EM ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado ao Cursode Engenharia Eleacutetrica da Escola PoliteacutecnicaUniversidade Federal do Rio de Janeiro comoparte dos requisitos necessaacuterios agrave obtenccedilatildeo dotiacutetulo de Engenheiro Eletricista

Orientador Jorge Luiz do Nascimento

Rio de Janeiro

Marccedilo de 2019

AVALIACcedilAtildeO DE VIABILIDADE DE APLICACcedilAtildeO DE AEROGERADOR DEPEQUENO PORTE EM UMA POUSADA EM ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

PROJETO DE GRADUACcedilAtildeO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DOCURSO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA DA ESCOLA POLITEacuteCNICADA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTEDOS REQUISITOS NECESSAacuteRIOS PARA A OBTENCcedilAtildeO DO GRAU DEENGENHEIRO ELETRICISTA

Examinado por

Prof Jorge Luiz do Nascimento Dr Eng

Prof Robson Francisco da Silva Dias D Sc

Prof Sergio Sami Hazan Ph D

RIO DE JANEIRO RJ ndash BRASIL

MARCcedilO DE 2019

Aos meus pais meus irmatildeos eao meu namorado

iii

Agradecimentos

Primeiramente agradeccedilo a minha famiacutelia meus pais Luiz Claudio Fernandese Rosemere Salgueiro meus irmatildeos Mariana Salgueiro Pedro Salgueiro e LuccaFigueiredo e ao meu namorado Joseacute Vitor Hisse por me apoiarem e tornarem osonho de minha formaccedilatildeo em engenharia possiacutevel por toda a dedicaccedilatildeo na base daminha educaccedilatildeo e cultura e por todo o carinho dedicado ao longo de todos essesanos

Agradeccedilo aos professores da Universidade Federal do Rio de Janeiro e das escolasque estudei pela paciecircncia e dedicaccedilatildeo em me ensinar e orientar para que chegassea este Projeto Final e obtivesse o grau de Engenheiro Eletricista

Agradeccedilo aos meus amigos que me acompanharam nessa trajetoacuteria a paciecircnciaamizade companheirismo e confidencialidade para que o objetivo da formaccedilatildeo setornasse mais leve e prazeroso

A todos esses o meu muito obrigado

iv

Resumo do Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado agrave Escola Politeacutecnica UFRJ comoparte dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Eletricista

AVALIACcedilAtildeO DE VIABILIDADE DE APLICACcedilAtildeO DE AEROGERADOR DEPEQUENO PORTE EM UMA POUSADA EM ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

Marccedilo2019

Orientador Jorge Luiz do Nascimento

Curso Engenharia Eleacutetrica

Nos dias de hoje eacute possiacutevel notar a crescente preocupaccedilatildeo com o meio ambientee consequentemente com as fontes de energia utilizadas no mundo principalmentecom o uso de combustiacuteveis foacutesseis que satildeo tatildeo nocivos ao planeta Esses combustiacuteveisaleacutem de serem prejudiciais para a natureza satildeo finitos e natildeo renovaacuteveis levandomilhotildees de anos para se formarem

Sendo assim haacute uma importante busca por novos recursos que promovam ageraccedilatildeo de energia limpa a partir de fontes renovaacuteveis como por exemplo o ventoUma fonte inesgotaacutevel e excelente alternativa para substituir em parte a matrizenergeacutetica mundial a longo prazo

Com a intenccedilatildeo de aprofundar um pouco mais os conhecimentos nessa aacuterea opresente trabalho possui o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

Estatildeo presentes nesse trabalho os dados fornecidos por institutos de anaacutelise me-teoroloacutegica e agriacutecola aerogeradores com tecnologia nacional caacutelculos de eficiecircnciae comparaccedilatildeo de aerogeradores e caacutelculo de payback

Palavras-chave Energia eoacutelica aerogerador projeto eoacutelico fontes alternativas

v

Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillmentof the requirements for the degree of Eletric Engineer

EVALUATION OF VIABILITY OF APPLICATION OF WIND TURBINE IN ABUILDING IN ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

March2019

Advisor Jorge Luiz do Nascimento

Course Electrical Engineering

Nowadays it is possible to notice the growing concern with the environmentand consequently with the energy sources used in the world mainly with the useof fossil fuels that are so harmful to the planet These fuels in addition to beingharmful to nature are finite and non-renewable taking millions of years to form

Therefore there is an important search for new resources that promote the gen-eration of clean energy from renewable sources such as wind An inexhaustiblesource and an excellent alternative to replace in part the worldrsquos long-term energymatrix

With the intention to deepen the knowledge in this area a little more the presentwork has the objective to evaluate the viability of the installation of small windturbines in an hotel in Arraial do Cabo Rio de Janeiro finding the best wind turbinefor on-site installation and designing the value of the wind turbine installation andthe payback time of the project

The present work includes data provided by meteorological and agriculturalanalysis institutes wind turbines with national technology efficiency calculationsand comparison of wind turbines and payback calculation

Keywords Wind energy wind turbine wind project alternative sources

vi

Sumaacuterio

Lista de Figuras ix

Lista de Tabelas xii

1 Introduccedilatildeo 1

11 Objetivo 5

12 Justificativa 5

13 Metodologia 6

14 Estrutura do Trabalho 6

2 Geraccedilatildeo Eoacutelica 7

21 Histoacuterico 7

22 Cenaacuterio Atual 9

3 Revisatildeo Teacutecnica 13

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica 13

32 Princiacutepio de Funcionamento 14

33 Componentes do Gerador Eoacutelico 15

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 16

341 Aerogeradores de Pequeno Porte 19

4 Revisatildeo Teoacuterica 21

41 Potecircncia do Vento 21

42 Potecircncia Aproveitaacutevel 22

vii

43 Velocidade Especiacutefica 24

44 Solidez do Rotor 24

45 Fator de Capacidade 25

46 Curva de Potecircncia 26

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull 28

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos 29

481 Sistemas Isolados 29

482 Sistemas Hiacutebridos 30

483 Sistemas Ligados agrave Rede 31

5 Dimensionamento e Especificaccedilotildees 32

51 Condiccedilotildees Locais 32

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas 37

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico 37

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas 39

55 Consumo de Energia Eleacutetrica 41

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico 47

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores 51

58 Viabilidade Econocircmica 54

6 Conclusatildeo 57

Referecircncias Bibliograacuteficas 59

A Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud 64

viii

Lista de Figuras

11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1] 2

12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2] 2

13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3] 3

14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4] 3

15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda [6] 4

16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longo dos anos[7][8] 4

17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9] 5

21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11] 7

22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12] 8

23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14] 9

24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15] 10

25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2] 11

26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica [17] 11

27 Potecircncia eoacutelica instalada no Brasil Elaboraccedilatildeo Proacutepria 12

31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20] 15

32 Turbina Darrieus [21] 17

33 Turbina Savonius [23] 18

34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24] 18

35 Turbina Horizontal [26] 19

36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28] 20

ix

37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30] [31] 20

41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades [32] 23

42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34] 25

43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36] 27

44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelico Elabora-ccedilatildeo Proacutepria 28

45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10] 30

46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38] 31

47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39] 31

51 Potencial Eoacutelico Brasileiro [40] 33

52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] 34

53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41] 34

54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 35

55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 36

56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43] 37

57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria 38

58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45] 40

511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44] 41

512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio 46

513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47] 48

514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48] 49

515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49] 50

516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50] 51

A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50] 65

A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47] 66

x

A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48] 67

A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49] 68

xi

Lista de Tabelas

51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DEC e FEC)[42] 36

52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios 38

53 Lista de Cargas da Pousada 42

54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14) 43

55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24) 44

56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34) 45

57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44) 46

58 Cargas acionadas agrave noite 47

59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada 47

510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47] 48

511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48] 48

512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49] 49

513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50] 50

514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018 52

515 Energia Anual Gerada por Aerogerador 53

516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador 53

517 Fator de Capacidade por Aerogerador 54

518 Custo dos Equipamentos 54

519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo 55

520 Custo dos Equipamentos 55

521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51] 56

xii

522 Economia de Energia 56

xiii

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

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Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

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Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

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Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

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Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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59

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 2: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

AVALIACcedilAtildeO DE VIABILIDADE DE APLICACcedilAtildeO DE AEROGERADOR DEPEQUENO PORTE EM UMA POUSADA EM ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

PROJETO DE GRADUACcedilAtildeO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DOCURSO DE ENGENHARIA ELEacuteTRICA DA ESCOLA POLITEacuteCNICADA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTEDOS REQUISITOS NECESSAacuteRIOS PARA A OBTENCcedilAtildeO DO GRAU DEENGENHEIRO ELETRICISTA

Examinado por

Prof Jorge Luiz do Nascimento Dr Eng

Prof Robson Francisco da Silva Dias D Sc

Prof Sergio Sami Hazan Ph D

RIO DE JANEIRO RJ ndash BRASIL

MARCcedilO DE 2019

Aos meus pais meus irmatildeos eao meu namorado

iii

Agradecimentos

Primeiramente agradeccedilo a minha famiacutelia meus pais Luiz Claudio Fernandese Rosemere Salgueiro meus irmatildeos Mariana Salgueiro Pedro Salgueiro e LuccaFigueiredo e ao meu namorado Joseacute Vitor Hisse por me apoiarem e tornarem osonho de minha formaccedilatildeo em engenharia possiacutevel por toda a dedicaccedilatildeo na base daminha educaccedilatildeo e cultura e por todo o carinho dedicado ao longo de todos essesanos

Agradeccedilo aos professores da Universidade Federal do Rio de Janeiro e das escolasque estudei pela paciecircncia e dedicaccedilatildeo em me ensinar e orientar para que chegassea este Projeto Final e obtivesse o grau de Engenheiro Eletricista

Agradeccedilo aos meus amigos que me acompanharam nessa trajetoacuteria a paciecircnciaamizade companheirismo e confidencialidade para que o objetivo da formaccedilatildeo setornasse mais leve e prazeroso

A todos esses o meu muito obrigado

iv

Resumo do Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado agrave Escola Politeacutecnica UFRJ comoparte dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Eletricista

AVALIACcedilAtildeO DE VIABILIDADE DE APLICACcedilAtildeO DE AEROGERADOR DEPEQUENO PORTE EM UMA POUSADA EM ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

Marccedilo2019

Orientador Jorge Luiz do Nascimento

Curso Engenharia Eleacutetrica

Nos dias de hoje eacute possiacutevel notar a crescente preocupaccedilatildeo com o meio ambientee consequentemente com as fontes de energia utilizadas no mundo principalmentecom o uso de combustiacuteveis foacutesseis que satildeo tatildeo nocivos ao planeta Esses combustiacuteveisaleacutem de serem prejudiciais para a natureza satildeo finitos e natildeo renovaacuteveis levandomilhotildees de anos para se formarem

Sendo assim haacute uma importante busca por novos recursos que promovam ageraccedilatildeo de energia limpa a partir de fontes renovaacuteveis como por exemplo o ventoUma fonte inesgotaacutevel e excelente alternativa para substituir em parte a matrizenergeacutetica mundial a longo prazo

Com a intenccedilatildeo de aprofundar um pouco mais os conhecimentos nessa aacuterea opresente trabalho possui o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

Estatildeo presentes nesse trabalho os dados fornecidos por institutos de anaacutelise me-teoroloacutegica e agriacutecola aerogeradores com tecnologia nacional caacutelculos de eficiecircnciae comparaccedilatildeo de aerogeradores e caacutelculo de payback

Palavras-chave Energia eoacutelica aerogerador projeto eoacutelico fontes alternativas

v

Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillmentof the requirements for the degree of Eletric Engineer

EVALUATION OF VIABILITY OF APPLICATION OF WIND TURBINE IN ABUILDING IN ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

March2019

Advisor Jorge Luiz do Nascimento

Course Electrical Engineering

Nowadays it is possible to notice the growing concern with the environmentand consequently with the energy sources used in the world mainly with the useof fossil fuels that are so harmful to the planet These fuels in addition to beingharmful to nature are finite and non-renewable taking millions of years to form

Therefore there is an important search for new resources that promote the gen-eration of clean energy from renewable sources such as wind An inexhaustiblesource and an excellent alternative to replace in part the worldrsquos long-term energymatrix

With the intention to deepen the knowledge in this area a little more the presentwork has the objective to evaluate the viability of the installation of small windturbines in an hotel in Arraial do Cabo Rio de Janeiro finding the best wind turbinefor on-site installation and designing the value of the wind turbine installation andthe payback time of the project

The present work includes data provided by meteorological and agriculturalanalysis institutes wind turbines with national technology efficiency calculationsand comparison of wind turbines and payback calculation

Keywords Wind energy wind turbine wind project alternative sources

vi

Sumaacuterio

Lista de Figuras ix

Lista de Tabelas xii

1 Introduccedilatildeo 1

11 Objetivo 5

12 Justificativa 5

13 Metodologia 6

14 Estrutura do Trabalho 6

2 Geraccedilatildeo Eoacutelica 7

21 Histoacuterico 7

22 Cenaacuterio Atual 9

3 Revisatildeo Teacutecnica 13

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica 13

32 Princiacutepio de Funcionamento 14

33 Componentes do Gerador Eoacutelico 15

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 16

341 Aerogeradores de Pequeno Porte 19

4 Revisatildeo Teoacuterica 21

41 Potecircncia do Vento 21

42 Potecircncia Aproveitaacutevel 22

vii

43 Velocidade Especiacutefica 24

44 Solidez do Rotor 24

45 Fator de Capacidade 25

46 Curva de Potecircncia 26

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull 28

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos 29

481 Sistemas Isolados 29

482 Sistemas Hiacutebridos 30

483 Sistemas Ligados agrave Rede 31

5 Dimensionamento e Especificaccedilotildees 32

51 Condiccedilotildees Locais 32

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas 37

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico 37

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas 39

55 Consumo de Energia Eleacutetrica 41

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico 47

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores 51

58 Viabilidade Econocircmica 54

6 Conclusatildeo 57

Referecircncias Bibliograacuteficas 59

A Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud 64

viii

Lista de Figuras

11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1] 2

12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2] 2

13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3] 3

14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4] 3

15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda [6] 4

16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longo dos anos[7][8] 4

17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9] 5

21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11] 7

22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12] 8

23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14] 9

24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15] 10

25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2] 11

26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica [17] 11

27 Potecircncia eoacutelica instalada no Brasil Elaboraccedilatildeo Proacutepria 12

31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20] 15

32 Turbina Darrieus [21] 17

33 Turbina Savonius [23] 18

34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24] 18

35 Turbina Horizontal [26] 19

36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28] 20

ix

37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30] [31] 20

41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades [32] 23

42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34] 25

43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36] 27

44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelico Elabora-ccedilatildeo Proacutepria 28

45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10] 30

46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38] 31

47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39] 31

51 Potencial Eoacutelico Brasileiro [40] 33

52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] 34

53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41] 34

54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 35

55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 36

56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43] 37

57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria 38

58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45] 40

511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44] 41

512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio 46

513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47] 48

514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48] 49

515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49] 50

516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50] 51

A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50] 65

A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47] 66

x

A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48] 67

A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49] 68

xi

Lista de Tabelas

51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DEC e FEC)[42] 36

52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios 38

53 Lista de Cargas da Pousada 42

54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14) 43

55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24) 44

56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34) 45

57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44) 46

58 Cargas acionadas agrave noite 47

59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada 47

510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47] 48

511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48] 48

512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49] 49

513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50] 50

514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018 52

515 Energia Anual Gerada por Aerogerador 53

516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador 53

517 Fator de Capacidade por Aerogerador 54

518 Custo dos Equipamentos 54

519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo 55

520 Custo dos Equipamentos 55

521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51] 56

xii

522 Economia de Energia 56

xiii

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

13

menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

14

Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

22

Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 3: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Aos meus pais meus irmatildeos eao meu namorado

iii

Agradecimentos

Primeiramente agradeccedilo a minha famiacutelia meus pais Luiz Claudio Fernandese Rosemere Salgueiro meus irmatildeos Mariana Salgueiro Pedro Salgueiro e LuccaFigueiredo e ao meu namorado Joseacute Vitor Hisse por me apoiarem e tornarem osonho de minha formaccedilatildeo em engenharia possiacutevel por toda a dedicaccedilatildeo na base daminha educaccedilatildeo e cultura e por todo o carinho dedicado ao longo de todos essesanos

Agradeccedilo aos professores da Universidade Federal do Rio de Janeiro e das escolasque estudei pela paciecircncia e dedicaccedilatildeo em me ensinar e orientar para que chegassea este Projeto Final e obtivesse o grau de Engenheiro Eletricista

Agradeccedilo aos meus amigos que me acompanharam nessa trajetoacuteria a paciecircnciaamizade companheirismo e confidencialidade para que o objetivo da formaccedilatildeo setornasse mais leve e prazeroso

A todos esses o meu muito obrigado

iv

Resumo do Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado agrave Escola Politeacutecnica UFRJ comoparte dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Eletricista

AVALIACcedilAtildeO DE VIABILIDADE DE APLICACcedilAtildeO DE AEROGERADOR DEPEQUENO PORTE EM UMA POUSADA EM ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

Marccedilo2019

Orientador Jorge Luiz do Nascimento

Curso Engenharia Eleacutetrica

Nos dias de hoje eacute possiacutevel notar a crescente preocupaccedilatildeo com o meio ambientee consequentemente com as fontes de energia utilizadas no mundo principalmentecom o uso de combustiacuteveis foacutesseis que satildeo tatildeo nocivos ao planeta Esses combustiacuteveisaleacutem de serem prejudiciais para a natureza satildeo finitos e natildeo renovaacuteveis levandomilhotildees de anos para se formarem

Sendo assim haacute uma importante busca por novos recursos que promovam ageraccedilatildeo de energia limpa a partir de fontes renovaacuteveis como por exemplo o ventoUma fonte inesgotaacutevel e excelente alternativa para substituir em parte a matrizenergeacutetica mundial a longo prazo

Com a intenccedilatildeo de aprofundar um pouco mais os conhecimentos nessa aacuterea opresente trabalho possui o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

Estatildeo presentes nesse trabalho os dados fornecidos por institutos de anaacutelise me-teoroloacutegica e agriacutecola aerogeradores com tecnologia nacional caacutelculos de eficiecircnciae comparaccedilatildeo de aerogeradores e caacutelculo de payback

Palavras-chave Energia eoacutelica aerogerador projeto eoacutelico fontes alternativas

v

Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillmentof the requirements for the degree of Eletric Engineer

EVALUATION OF VIABILITY OF APPLICATION OF WIND TURBINE IN ABUILDING IN ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

March2019

Advisor Jorge Luiz do Nascimento

Course Electrical Engineering

Nowadays it is possible to notice the growing concern with the environmentand consequently with the energy sources used in the world mainly with the useof fossil fuels that are so harmful to the planet These fuels in addition to beingharmful to nature are finite and non-renewable taking millions of years to form

Therefore there is an important search for new resources that promote the gen-eration of clean energy from renewable sources such as wind An inexhaustiblesource and an excellent alternative to replace in part the worldrsquos long-term energymatrix

With the intention to deepen the knowledge in this area a little more the presentwork has the objective to evaluate the viability of the installation of small windturbines in an hotel in Arraial do Cabo Rio de Janeiro finding the best wind turbinefor on-site installation and designing the value of the wind turbine installation andthe payback time of the project

The present work includes data provided by meteorological and agriculturalanalysis institutes wind turbines with national technology efficiency calculationsand comparison of wind turbines and payback calculation

Keywords Wind energy wind turbine wind project alternative sources

vi

Sumaacuterio

Lista de Figuras ix

Lista de Tabelas xii

1 Introduccedilatildeo 1

11 Objetivo 5

12 Justificativa 5

13 Metodologia 6

14 Estrutura do Trabalho 6

2 Geraccedilatildeo Eoacutelica 7

21 Histoacuterico 7

22 Cenaacuterio Atual 9

3 Revisatildeo Teacutecnica 13

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica 13

32 Princiacutepio de Funcionamento 14

33 Componentes do Gerador Eoacutelico 15

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 16

341 Aerogeradores de Pequeno Porte 19

4 Revisatildeo Teoacuterica 21

41 Potecircncia do Vento 21

42 Potecircncia Aproveitaacutevel 22

vii

43 Velocidade Especiacutefica 24

44 Solidez do Rotor 24

45 Fator de Capacidade 25

46 Curva de Potecircncia 26

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull 28

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos 29

481 Sistemas Isolados 29

482 Sistemas Hiacutebridos 30

483 Sistemas Ligados agrave Rede 31

5 Dimensionamento e Especificaccedilotildees 32

51 Condiccedilotildees Locais 32

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas 37

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico 37

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas 39

55 Consumo de Energia Eleacutetrica 41

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico 47

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores 51

58 Viabilidade Econocircmica 54

6 Conclusatildeo 57

Referecircncias Bibliograacuteficas 59

A Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud 64

viii

Lista de Figuras

11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1] 2

12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2] 2

13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3] 3

14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4] 3

15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda [6] 4

16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longo dos anos[7][8] 4

17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9] 5

21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11] 7

22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12] 8

23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14] 9

24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15] 10

25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2] 11

26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica [17] 11

27 Potecircncia eoacutelica instalada no Brasil Elaboraccedilatildeo Proacutepria 12

31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20] 15

32 Turbina Darrieus [21] 17

33 Turbina Savonius [23] 18

34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24] 18

35 Turbina Horizontal [26] 19

36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28] 20

ix

37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30] [31] 20

41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades [32] 23

42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34] 25

43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36] 27

44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelico Elabora-ccedilatildeo Proacutepria 28

45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10] 30

46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38] 31

47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39] 31

51 Potencial Eoacutelico Brasileiro [40] 33

52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] 34

53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41] 34

54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 35

55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 36

56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43] 37

57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria 38

58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45] 40

511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44] 41

512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio 46

513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47] 48

514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48] 49

515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49] 50

516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50] 51

A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50] 65

A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47] 66

x

A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48] 67

A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49] 68

xi

Lista de Tabelas

51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DEC e FEC)[42] 36

52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios 38

53 Lista de Cargas da Pousada 42

54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14) 43

55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24) 44

56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34) 45

57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44) 46

58 Cargas acionadas agrave noite 47

59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada 47

510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47] 48

511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48] 48

512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49] 49

513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50] 50

514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018 52

515 Energia Anual Gerada por Aerogerador 53

516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador 53

517 Fator de Capacidade por Aerogerador 54

518 Custo dos Equipamentos 54

519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo 55

520 Custo dos Equipamentos 55

521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51] 56

xii

522 Economia de Energia 56

xiii

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

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Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

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Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

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Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

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Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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59

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 4: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Agradecimentos

Primeiramente agradeccedilo a minha famiacutelia meus pais Luiz Claudio Fernandese Rosemere Salgueiro meus irmatildeos Mariana Salgueiro Pedro Salgueiro e LuccaFigueiredo e ao meu namorado Joseacute Vitor Hisse por me apoiarem e tornarem osonho de minha formaccedilatildeo em engenharia possiacutevel por toda a dedicaccedilatildeo na base daminha educaccedilatildeo e cultura e por todo o carinho dedicado ao longo de todos essesanos

Agradeccedilo aos professores da Universidade Federal do Rio de Janeiro e das escolasque estudei pela paciecircncia e dedicaccedilatildeo em me ensinar e orientar para que chegassea este Projeto Final e obtivesse o grau de Engenheiro Eletricista

Agradeccedilo aos meus amigos que me acompanharam nessa trajetoacuteria a paciecircnciaamizade companheirismo e confidencialidade para que o objetivo da formaccedilatildeo setornasse mais leve e prazeroso

A todos esses o meu muito obrigado

iv

Resumo do Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado agrave Escola Politeacutecnica UFRJ comoparte dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Eletricista

AVALIACcedilAtildeO DE VIABILIDADE DE APLICACcedilAtildeO DE AEROGERADOR DEPEQUENO PORTE EM UMA POUSADA EM ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

Marccedilo2019

Orientador Jorge Luiz do Nascimento

Curso Engenharia Eleacutetrica

Nos dias de hoje eacute possiacutevel notar a crescente preocupaccedilatildeo com o meio ambientee consequentemente com as fontes de energia utilizadas no mundo principalmentecom o uso de combustiacuteveis foacutesseis que satildeo tatildeo nocivos ao planeta Esses combustiacuteveisaleacutem de serem prejudiciais para a natureza satildeo finitos e natildeo renovaacuteveis levandomilhotildees de anos para se formarem

Sendo assim haacute uma importante busca por novos recursos que promovam ageraccedilatildeo de energia limpa a partir de fontes renovaacuteveis como por exemplo o ventoUma fonte inesgotaacutevel e excelente alternativa para substituir em parte a matrizenergeacutetica mundial a longo prazo

Com a intenccedilatildeo de aprofundar um pouco mais os conhecimentos nessa aacuterea opresente trabalho possui o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

Estatildeo presentes nesse trabalho os dados fornecidos por institutos de anaacutelise me-teoroloacutegica e agriacutecola aerogeradores com tecnologia nacional caacutelculos de eficiecircnciae comparaccedilatildeo de aerogeradores e caacutelculo de payback

Palavras-chave Energia eoacutelica aerogerador projeto eoacutelico fontes alternativas

v

Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillmentof the requirements for the degree of Eletric Engineer

EVALUATION OF VIABILITY OF APPLICATION OF WIND TURBINE IN ABUILDING IN ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

March2019

Advisor Jorge Luiz do Nascimento

Course Electrical Engineering

Nowadays it is possible to notice the growing concern with the environmentand consequently with the energy sources used in the world mainly with the useof fossil fuels that are so harmful to the planet These fuels in addition to beingharmful to nature are finite and non-renewable taking millions of years to form

Therefore there is an important search for new resources that promote the gen-eration of clean energy from renewable sources such as wind An inexhaustiblesource and an excellent alternative to replace in part the worldrsquos long-term energymatrix

With the intention to deepen the knowledge in this area a little more the presentwork has the objective to evaluate the viability of the installation of small windturbines in an hotel in Arraial do Cabo Rio de Janeiro finding the best wind turbinefor on-site installation and designing the value of the wind turbine installation andthe payback time of the project

The present work includes data provided by meteorological and agriculturalanalysis institutes wind turbines with national technology efficiency calculationsand comparison of wind turbines and payback calculation

Keywords Wind energy wind turbine wind project alternative sources

vi

Sumaacuterio

Lista de Figuras ix

Lista de Tabelas xii

1 Introduccedilatildeo 1

11 Objetivo 5

12 Justificativa 5

13 Metodologia 6

14 Estrutura do Trabalho 6

2 Geraccedilatildeo Eoacutelica 7

21 Histoacuterico 7

22 Cenaacuterio Atual 9

3 Revisatildeo Teacutecnica 13

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica 13

32 Princiacutepio de Funcionamento 14

33 Componentes do Gerador Eoacutelico 15

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 16

341 Aerogeradores de Pequeno Porte 19

4 Revisatildeo Teoacuterica 21

41 Potecircncia do Vento 21

42 Potecircncia Aproveitaacutevel 22

vii

43 Velocidade Especiacutefica 24

44 Solidez do Rotor 24

45 Fator de Capacidade 25

46 Curva de Potecircncia 26

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull 28

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos 29

481 Sistemas Isolados 29

482 Sistemas Hiacutebridos 30

483 Sistemas Ligados agrave Rede 31

5 Dimensionamento e Especificaccedilotildees 32

51 Condiccedilotildees Locais 32

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas 37

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico 37

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas 39

55 Consumo de Energia Eleacutetrica 41

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico 47

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores 51

58 Viabilidade Econocircmica 54

6 Conclusatildeo 57

Referecircncias Bibliograacuteficas 59

A Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud 64

viii

Lista de Figuras

11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1] 2

12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2] 2

13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3] 3

14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4] 3

15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda [6] 4

16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longo dos anos[7][8] 4

17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9] 5

21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11] 7

22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12] 8

23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14] 9

24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15] 10

25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2] 11

26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica [17] 11

27 Potecircncia eoacutelica instalada no Brasil Elaboraccedilatildeo Proacutepria 12

31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20] 15

32 Turbina Darrieus [21] 17

33 Turbina Savonius [23] 18

34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24] 18

35 Turbina Horizontal [26] 19

36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28] 20

ix

37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30] [31] 20

41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades [32] 23

42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34] 25

43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36] 27

44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelico Elabora-ccedilatildeo Proacutepria 28

45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10] 30

46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38] 31

47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39] 31

51 Potencial Eoacutelico Brasileiro [40] 33

52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] 34

53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41] 34

54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 35

55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 36

56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43] 37

57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria 38

58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45] 40

511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44] 41

512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio 46

513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47] 48

514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48] 49

515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49] 50

516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50] 51

A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50] 65

A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47] 66

x

A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48] 67

A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49] 68

xi

Lista de Tabelas

51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DEC e FEC)[42] 36

52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios 38

53 Lista de Cargas da Pousada 42

54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14) 43

55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24) 44

56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34) 45

57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44) 46

58 Cargas acionadas agrave noite 47

59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada 47

510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47] 48

511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48] 48

512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49] 49

513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50] 50

514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018 52

515 Energia Anual Gerada por Aerogerador 53

516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador 53

517 Fator de Capacidade por Aerogerador 54

518 Custo dos Equipamentos 54

519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo 55

520 Custo dos Equipamentos 55

521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51] 56

xii

522 Economia de Energia 56

xiii

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

13

menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

14

Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

15

A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

18

Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

22

Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 5: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Resumo do Projeto de Graduaccedilatildeo apresentado agrave Escola Politeacutecnica UFRJ comoparte dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Engenheiro Eletricista

AVALIACcedilAtildeO DE VIABILIDADE DE APLICACcedilAtildeO DE AEROGERADOR DEPEQUENO PORTE EM UMA POUSADA EM ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

Marccedilo2019

Orientador Jorge Luiz do Nascimento

Curso Engenharia Eleacutetrica

Nos dias de hoje eacute possiacutevel notar a crescente preocupaccedilatildeo com o meio ambientee consequentemente com as fontes de energia utilizadas no mundo principalmentecom o uso de combustiacuteveis foacutesseis que satildeo tatildeo nocivos ao planeta Esses combustiacuteveisaleacutem de serem prejudiciais para a natureza satildeo finitos e natildeo renovaacuteveis levandomilhotildees de anos para se formarem

Sendo assim haacute uma importante busca por novos recursos que promovam ageraccedilatildeo de energia limpa a partir de fontes renovaacuteveis como por exemplo o ventoUma fonte inesgotaacutevel e excelente alternativa para substituir em parte a matrizenergeacutetica mundial a longo prazo

Com a intenccedilatildeo de aprofundar um pouco mais os conhecimentos nessa aacuterea opresente trabalho possui o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

Estatildeo presentes nesse trabalho os dados fornecidos por institutos de anaacutelise me-teoroloacutegica e agriacutecola aerogeradores com tecnologia nacional caacutelculos de eficiecircnciae comparaccedilatildeo de aerogeradores e caacutelculo de payback

Palavras-chave Energia eoacutelica aerogerador projeto eoacutelico fontes alternativas

v

Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillmentof the requirements for the degree of Eletric Engineer

EVALUATION OF VIABILITY OF APPLICATION OF WIND TURBINE IN ABUILDING IN ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

March2019

Advisor Jorge Luiz do Nascimento

Course Electrical Engineering

Nowadays it is possible to notice the growing concern with the environmentand consequently with the energy sources used in the world mainly with the useof fossil fuels that are so harmful to the planet These fuels in addition to beingharmful to nature are finite and non-renewable taking millions of years to form

Therefore there is an important search for new resources that promote the gen-eration of clean energy from renewable sources such as wind An inexhaustiblesource and an excellent alternative to replace in part the worldrsquos long-term energymatrix

With the intention to deepen the knowledge in this area a little more the presentwork has the objective to evaluate the viability of the installation of small windturbines in an hotel in Arraial do Cabo Rio de Janeiro finding the best wind turbinefor on-site installation and designing the value of the wind turbine installation andthe payback time of the project

The present work includes data provided by meteorological and agriculturalanalysis institutes wind turbines with national technology efficiency calculationsand comparison of wind turbines and payback calculation

Keywords Wind energy wind turbine wind project alternative sources

vi

Sumaacuterio

Lista de Figuras ix

Lista de Tabelas xii

1 Introduccedilatildeo 1

11 Objetivo 5

12 Justificativa 5

13 Metodologia 6

14 Estrutura do Trabalho 6

2 Geraccedilatildeo Eoacutelica 7

21 Histoacuterico 7

22 Cenaacuterio Atual 9

3 Revisatildeo Teacutecnica 13

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica 13

32 Princiacutepio de Funcionamento 14

33 Componentes do Gerador Eoacutelico 15

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 16

341 Aerogeradores de Pequeno Porte 19

4 Revisatildeo Teoacuterica 21

41 Potecircncia do Vento 21

42 Potecircncia Aproveitaacutevel 22

vii

43 Velocidade Especiacutefica 24

44 Solidez do Rotor 24

45 Fator de Capacidade 25

46 Curva de Potecircncia 26

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull 28

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos 29

481 Sistemas Isolados 29

482 Sistemas Hiacutebridos 30

483 Sistemas Ligados agrave Rede 31

5 Dimensionamento e Especificaccedilotildees 32

51 Condiccedilotildees Locais 32

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas 37

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico 37

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas 39

55 Consumo de Energia Eleacutetrica 41

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico 47

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores 51

58 Viabilidade Econocircmica 54

6 Conclusatildeo 57

Referecircncias Bibliograacuteficas 59

A Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud 64

viii

Lista de Figuras

11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1] 2

12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2] 2

13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3] 3

14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4] 3

15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda [6] 4

16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longo dos anos[7][8] 4

17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9] 5

21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11] 7

22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12] 8

23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14] 9

24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15] 10

25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2] 11

26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica [17] 11

27 Potecircncia eoacutelica instalada no Brasil Elaboraccedilatildeo Proacutepria 12

31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20] 15

32 Turbina Darrieus [21] 17

33 Turbina Savonius [23] 18

34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24] 18

35 Turbina Horizontal [26] 19

36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28] 20

ix

37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30] [31] 20

41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades [32] 23

42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34] 25

43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36] 27

44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelico Elabora-ccedilatildeo Proacutepria 28

45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10] 30

46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38] 31

47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39] 31

51 Potencial Eoacutelico Brasileiro [40] 33

52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] 34

53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41] 34

54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 35

55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 36

56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43] 37

57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria 38

58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45] 40

511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44] 41

512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio 46

513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47] 48

514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48] 49

515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49] 50

516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50] 51

A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50] 65

A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47] 66

x

A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48] 67

A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49] 68

xi

Lista de Tabelas

51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DEC e FEC)[42] 36

52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios 38

53 Lista de Cargas da Pousada 42

54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14) 43

55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24) 44

56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34) 45

57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44) 46

58 Cargas acionadas agrave noite 47

59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada 47

510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47] 48

511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48] 48

512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49] 49

513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50] 50

514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018 52

515 Energia Anual Gerada por Aerogerador 53

516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador 53

517 Fator de Capacidade por Aerogerador 54

518 Custo dos Equipamentos 54

519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo 55

520 Custo dos Equipamentos 55

521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51] 56

xii

522 Economia de Energia 56

xiii

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

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Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

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Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

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Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

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Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 6: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Abstract of Undergraduate Project presented to POLIUFRJ as a partial fulfillmentof the requirements for the degree of Eletric Engineer

EVALUATION OF VIABILITY OF APPLICATION OF WIND TURBINE IN ABUILDING IN ARRAIAL DO CABO

Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

March2019

Advisor Jorge Luiz do Nascimento

Course Electrical Engineering

Nowadays it is possible to notice the growing concern with the environmentand consequently with the energy sources used in the world mainly with the useof fossil fuels that are so harmful to the planet These fuels in addition to beingharmful to nature are finite and non-renewable taking millions of years to form

Therefore there is an important search for new resources that promote the gen-eration of clean energy from renewable sources such as wind An inexhaustiblesource and an excellent alternative to replace in part the worldrsquos long-term energymatrix

With the intention to deepen the knowledge in this area a little more the presentwork has the objective to evaluate the viability of the installation of small windturbines in an hotel in Arraial do Cabo Rio de Janeiro finding the best wind turbinefor on-site installation and designing the value of the wind turbine installation andthe payback time of the project

The present work includes data provided by meteorological and agriculturalanalysis institutes wind turbines with national technology efficiency calculationsand comparison of wind turbines and payback calculation

Keywords Wind energy wind turbine wind project alternative sources

vi

Sumaacuterio

Lista de Figuras ix

Lista de Tabelas xii

1 Introduccedilatildeo 1

11 Objetivo 5

12 Justificativa 5

13 Metodologia 6

14 Estrutura do Trabalho 6

2 Geraccedilatildeo Eoacutelica 7

21 Histoacuterico 7

22 Cenaacuterio Atual 9

3 Revisatildeo Teacutecnica 13

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica 13

32 Princiacutepio de Funcionamento 14

33 Componentes do Gerador Eoacutelico 15

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 16

341 Aerogeradores de Pequeno Porte 19

4 Revisatildeo Teoacuterica 21

41 Potecircncia do Vento 21

42 Potecircncia Aproveitaacutevel 22

vii

43 Velocidade Especiacutefica 24

44 Solidez do Rotor 24

45 Fator de Capacidade 25

46 Curva de Potecircncia 26

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull 28

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos 29

481 Sistemas Isolados 29

482 Sistemas Hiacutebridos 30

483 Sistemas Ligados agrave Rede 31

5 Dimensionamento e Especificaccedilotildees 32

51 Condiccedilotildees Locais 32

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas 37

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico 37

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas 39

55 Consumo de Energia Eleacutetrica 41

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico 47

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores 51

58 Viabilidade Econocircmica 54

6 Conclusatildeo 57

Referecircncias Bibliograacuteficas 59

A Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud 64

viii

Lista de Figuras

11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1] 2

12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2] 2

13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3] 3

14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4] 3

15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda [6] 4

16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longo dos anos[7][8] 4

17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9] 5

21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11] 7

22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12] 8

23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14] 9

24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15] 10

25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2] 11

26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica [17] 11

27 Potecircncia eoacutelica instalada no Brasil Elaboraccedilatildeo Proacutepria 12

31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20] 15

32 Turbina Darrieus [21] 17

33 Turbina Savonius [23] 18

34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24] 18

35 Turbina Horizontal [26] 19

36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28] 20

ix

37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30] [31] 20

41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades [32] 23

42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34] 25

43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36] 27

44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelico Elabora-ccedilatildeo Proacutepria 28

45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10] 30

46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38] 31

47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39] 31

51 Potencial Eoacutelico Brasileiro [40] 33

52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] 34

53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41] 34

54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 35

55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 36

56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43] 37

57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria 38

58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45] 40

511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44] 41

512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio 46

513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47] 48

514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48] 49

515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49] 50

516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50] 51

A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50] 65

A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47] 66

x

A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48] 67

A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49] 68

xi

Lista de Tabelas

51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DEC e FEC)[42] 36

52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios 38

53 Lista de Cargas da Pousada 42

54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14) 43

55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24) 44

56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34) 45

57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44) 46

58 Cargas acionadas agrave noite 47

59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada 47

510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47] 48

511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48] 48

512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49] 49

513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50] 50

514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018 52

515 Energia Anual Gerada por Aerogerador 53

516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador 53

517 Fator de Capacidade por Aerogerador 54

518 Custo dos Equipamentos 54

519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo 55

520 Custo dos Equipamentos 55

521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51] 56

xii

522 Economia de Energia 56

xiii

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

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Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

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Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

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cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

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na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

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Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

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Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 7: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Sumaacuterio

Lista de Figuras ix

Lista de Tabelas xii

1 Introduccedilatildeo 1

11 Objetivo 5

12 Justificativa 5

13 Metodologia 6

14 Estrutura do Trabalho 6

2 Geraccedilatildeo Eoacutelica 7

21 Histoacuterico 7

22 Cenaacuterio Atual 9

3 Revisatildeo Teacutecnica 13

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica 13

32 Princiacutepio de Funcionamento 14

33 Componentes do Gerador Eoacutelico 15

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas 16

341 Aerogeradores de Pequeno Porte 19

4 Revisatildeo Teoacuterica 21

41 Potecircncia do Vento 21

42 Potecircncia Aproveitaacutevel 22

vii

43 Velocidade Especiacutefica 24

44 Solidez do Rotor 24

45 Fator de Capacidade 25

46 Curva de Potecircncia 26

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull 28

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos 29

481 Sistemas Isolados 29

482 Sistemas Hiacutebridos 30

483 Sistemas Ligados agrave Rede 31

5 Dimensionamento e Especificaccedilotildees 32

51 Condiccedilotildees Locais 32

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas 37

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico 37

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas 39

55 Consumo de Energia Eleacutetrica 41

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico 47

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores 51

58 Viabilidade Econocircmica 54

6 Conclusatildeo 57

Referecircncias Bibliograacuteficas 59

A Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud 64

viii

Lista de Figuras

11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1] 2

12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2] 2

13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3] 3

14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4] 3

15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda [6] 4

16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longo dos anos[7][8] 4

17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9] 5

21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11] 7

22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12] 8

23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14] 9

24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15] 10

25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2] 11

26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica [17] 11

27 Potecircncia eoacutelica instalada no Brasil Elaboraccedilatildeo Proacutepria 12

31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20] 15

32 Turbina Darrieus [21] 17

33 Turbina Savonius [23] 18

34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24] 18

35 Turbina Horizontal [26] 19

36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28] 20

ix

37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30] [31] 20

41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades [32] 23

42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34] 25

43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36] 27

44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelico Elabora-ccedilatildeo Proacutepria 28

45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10] 30

46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38] 31

47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39] 31

51 Potencial Eoacutelico Brasileiro [40] 33

52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] 34

53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41] 34

54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 35

55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 36

56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43] 37

57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria 38

58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45] 40

511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44] 41

512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio 46

513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47] 48

514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48] 49

515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49] 50

516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50] 51

A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50] 65

A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47] 66

x

A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48] 67

A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49] 68

xi

Lista de Tabelas

51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DEC e FEC)[42] 36

52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios 38

53 Lista de Cargas da Pousada 42

54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14) 43

55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24) 44

56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34) 45

57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44) 46

58 Cargas acionadas agrave noite 47

59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada 47

510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47] 48

511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48] 48

512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49] 49

513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50] 50

514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018 52

515 Energia Anual Gerada por Aerogerador 53

516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador 53

517 Fator de Capacidade por Aerogerador 54

518 Custo dos Equipamentos 54

519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo 55

520 Custo dos Equipamentos 55

521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51] 56

xii

522 Economia de Energia 56

xiii

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

13

menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

14

Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

15

A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

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Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

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Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

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Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

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Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

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baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

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Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

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renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

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54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

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No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

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Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

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Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

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[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

RelatC3B3rio20Final202015pdfgt Acesso em 30102018

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[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

[10] CRESESB ldquoEnergia Eoacutelica Princiacutepios e Tecnologiardquo Disponiacutevelem lthttpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorialtutorial_eolica_2008_e-bookpdfgt Acesso em 10122018

[11] NETTO A S ESTUDO DE VIABILIDADE DE MICROGERACcedilAtildeO DEENERGIA EOacuteLICA NO CAMPUS DA UTFPR DE GUARAPUAVATese de Mestrado Curitiba 2017

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60

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 8: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

43 Velocidade Especiacutefica 24

44 Solidez do Rotor 24

45 Fator de Capacidade 25

46 Curva de Potecircncia 26

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull 28

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos 29

481 Sistemas Isolados 29

482 Sistemas Hiacutebridos 30

483 Sistemas Ligados agrave Rede 31

5 Dimensionamento e Especificaccedilotildees 32

51 Condiccedilotildees Locais 32

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas 37

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico 37

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas 39

55 Consumo de Energia Eleacutetrica 41

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico 47

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores 51

58 Viabilidade Econocircmica 54

6 Conclusatildeo 57

Referecircncias Bibliograacuteficas 59

A Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud 64

viii

Lista de Figuras

11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1] 2

12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2] 2

13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3] 3

14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4] 3

15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda [6] 4

16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longo dos anos[7][8] 4

17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9] 5

21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11] 7

22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12] 8

23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14] 9

24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15] 10

25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2] 11

26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica [17] 11

27 Potecircncia eoacutelica instalada no Brasil Elaboraccedilatildeo Proacutepria 12

31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20] 15

32 Turbina Darrieus [21] 17

33 Turbina Savonius [23] 18

34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24] 18

35 Turbina Horizontal [26] 19

36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28] 20

ix

37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30] [31] 20

41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades [32] 23

42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34] 25

43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36] 27

44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelico Elabora-ccedilatildeo Proacutepria 28

45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10] 30

46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38] 31

47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39] 31

51 Potencial Eoacutelico Brasileiro [40] 33

52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] 34

53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41] 34

54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 35

55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 36

56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43] 37

57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria 38

58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45] 40

511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44] 41

512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio 46

513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47] 48

514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48] 49

515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49] 50

516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50] 51

A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50] 65

A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47] 66

x

A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48] 67

A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49] 68

xi

Lista de Tabelas

51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DEC e FEC)[42] 36

52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios 38

53 Lista de Cargas da Pousada 42

54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14) 43

55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24) 44

56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34) 45

57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44) 46

58 Cargas acionadas agrave noite 47

59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada 47

510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47] 48

511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48] 48

512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49] 49

513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50] 50

514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018 52

515 Energia Anual Gerada por Aerogerador 53

516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador 53

517 Fator de Capacidade por Aerogerador 54

518 Custo dos Equipamentos 54

519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo 55

520 Custo dos Equipamentos 55

521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51] 56

xii

522 Economia de Energia 56

xiii

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

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Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

18

Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 9: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Lista de Figuras

11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1] 2

12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2] 2

13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3] 3

14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4] 3

15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda [6] 4

16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longo dos anos[7][8] 4

17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9] 5

21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11] 7

22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12] 8

23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14] 9

24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15] 10

25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2] 11

26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica [17] 11

27 Potecircncia eoacutelica instalada no Brasil Elaboraccedilatildeo Proacutepria 12

31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20] 15

32 Turbina Darrieus [21] 17

33 Turbina Savonius [23] 18

34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24] 18

35 Turbina Horizontal [26] 19

36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28] 20

ix

37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30] [31] 20

41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades [32] 23

42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34] 25

43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36] 27

44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelico Elabora-ccedilatildeo Proacutepria 28

45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10] 30

46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38] 31

47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39] 31

51 Potencial Eoacutelico Brasileiro [40] 33

52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] 34

53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41] 34

54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 35

55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 36

56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43] 37

57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria 38

58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45] 40

511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44] 41

512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio 46

513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47] 48

514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48] 49

515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49] 50

516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50] 51

A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50] 65

A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47] 66

x

A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48] 67

A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49] 68

xi

Lista de Tabelas

51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DEC e FEC)[42] 36

52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios 38

53 Lista de Cargas da Pousada 42

54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14) 43

55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24) 44

56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34) 45

57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44) 46

58 Cargas acionadas agrave noite 47

59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada 47

510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47] 48

511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48] 48

512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49] 49

513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50] 50

514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018 52

515 Energia Anual Gerada por Aerogerador 53

516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador 53

517 Fator de Capacidade por Aerogerador 54

518 Custo dos Equipamentos 54

519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo 55

520 Custo dos Equipamentos 55

521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51] 56

xii

522 Economia de Energia 56

xiii

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

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Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

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Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

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Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

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cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

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na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

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Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

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De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

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Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 10: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30] [31] 20

41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades [32] 23

42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34] 25

43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36] 27

44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelico Elabora-ccedilatildeo Proacutepria 28

45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10] 30

46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38] 31

47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39] 31

51 Potencial Eoacutelico Brasileiro [40] 33

52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] 34

53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41] 34

54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 35

55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42] 36

56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43] 37

57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria 38

58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44] 39

510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45] 40

511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44] 41

512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio 46

513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47] 48

514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48] 49

515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49] 50

516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50] 51

A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50] 65

A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47] 66

x

A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48] 67

A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49] 68

xi

Lista de Tabelas

51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DEC e FEC)[42] 36

52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios 38

53 Lista de Cargas da Pousada 42

54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14) 43

55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24) 44

56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34) 45

57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44) 46

58 Cargas acionadas agrave noite 47

59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada 47

510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47] 48

511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48] 48

512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49] 49

513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50] 50

514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018 52

515 Energia Anual Gerada por Aerogerador 53

516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador 53

517 Fator de Capacidade por Aerogerador 54

518 Custo dos Equipamentos 54

519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo 55

520 Custo dos Equipamentos 55

521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51] 56

xii

522 Economia de Energia 56

xiii

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

13

menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

14

Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

15

A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

19

Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

22

Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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[40] AMARANTE O C ET AL Atlas do Potencial Eoacutelico Brasileiro - CEPELBrasiacutelia 2001

[41] CRESESB Atlas Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro 2002

[42] FIRJAN ldquoRetrato da Qualidade da Energia no Estadodo Rio de Janeirordquo Disponiacutevel em lthttpswwwfirjancombrpublicacoespublicacoes-de-economia

retrato-da-qualidade-da-energia-no-estado-do-rio-de-janeiro

htmgt Acesso em 06022019

62

[43] WINDFINDER ldquoEstaccedilotildees Meteoroloacutegica Aeroporto Cabo Friordquo Disponiacutevel emlthttpsptwindfindercomwindstatisticscabo_friogt Acessoem 13032019

[44] GOOGLE MAPS ldquoLocalizaccedilatildeo da Pousadardquo Disponiacutevel em lthttpswwwgooglecommapsgt Acesso em 12022019

[45] TOPOGRAFIC MAP ldquoRelevordquo Disponiacutevel em lthttppt-brtopographic-mapcomplacesRelevo-3550473gt Acesso em10022019

[46] ENEL ldquoSimulador de Consumordquo Disponiacutevel em lthttpsenel-rjsimuladordeconsumocombrgt Acesso em 10022019

[47] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Notus 138rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos14_167936Notus138jpggt Acessoem 12022019

[48] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Gerar 246rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos1_40960Gerar246jpggt Acesso em12022019

[49] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Razec 266rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos15_40960Razec266jpggt Acessoem 12022019

[50] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Verne 555rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos16_131072Verne555jpggt Acessoem 12022019

[51] ENEL ldquoTaxas Tarifas e Impostosrdquo Disponiacutevel em lthttpswwwenelcombrptTarifas_Enelhtmlgt Acesso em 12022019

63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 11: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48] 67

A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49] 68

xi

Lista de Tabelas

51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DEC e FEC)[42] 36

52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios 38

53 Lista de Cargas da Pousada 42

54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14) 43

55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24) 44

56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34) 45

57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44) 46

58 Cargas acionadas agrave noite 47

59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada 47

510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47] 48

511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48] 48

512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49] 49

513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50] 50

514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018 52

515 Energia Anual Gerada por Aerogerador 53

516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador 53

517 Fator de Capacidade por Aerogerador 54

518 Custo dos Equipamentos 54

519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo 55

520 Custo dos Equipamentos 55

521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51] 56

xii

522 Economia de Energia 56

xiii

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

13

menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

14

Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

15

A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

18

Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

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Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

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baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

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renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

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54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

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No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

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Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

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Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

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[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

RelatC3B3rio20Final202015pdfgt Acesso em 30102018

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[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

[10] CRESESB ldquoEnergia Eoacutelica Princiacutepios e Tecnologiardquo Disponiacutevelem lthttpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorialtutorial_eolica_2008_e-bookpdfgt Acesso em 10122018

[11] NETTO A S ESTUDO DE VIABILIDADE DE MICROGERACcedilAtildeO DEENERGIA EOacuteLICA NO CAMPUS DA UTFPR DE GUARAPUAVATese de Mestrado Curitiba 2017

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60

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 12: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Lista de Tabelas

51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DEC e FEC)[42] 36

52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios 38

53 Lista de Cargas da Pousada 42

54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14) 43

55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24) 44

56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34) 45

57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44) 46

58 Cargas acionadas agrave noite 47

59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada 47

510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47] 48

511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48] 48

512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49] 49

513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50] 50

514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018 52

515 Energia Anual Gerada por Aerogerador 53

516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador 53

517 Fator de Capacidade por Aerogerador 54

518 Custo dos Equipamentos 54

519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo 55

520 Custo dos Equipamentos 55

521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51] 56

xii

522 Economia de Energia 56

xiii

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

13

menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

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Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

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Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

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Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

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Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

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baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 13: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

522 Economia de Energia 56

xiii

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

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Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

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Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 14: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

Apoacutes deacutecadas de exploraccedilatildeo de recursos naturais a populaccedilatildeo vem sofrendo coma poluiccedilatildeo a alteraccedilatildeo de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursosConsiderando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade abusca por fontes alternativas aos combustiacuteveis foacutesseis vem ganhando forccedila diante danecessidade de produccedilatildeo cada vez maior da sociedade

Essa atual preocupaccedilatildeo fez aumentar o interesse por outras formas de aproveita-mento de energia principalmente pelas fontes renovaacuteveis As fontes renovaacuteveis satildeoaquelas cuja reposiccedilatildeo pela natureza ocorre de forma mais raacutepida que sua utilizaccedilatildeoenergeacutetica como ventos ondas do mar aacuteguas do rio mareacutes e a energia solar Jaacute asfontes natildeo renovaacuteveis satildeo aquelas passiacuteveis de se esgotar por serem utilizadas comuma velocidade bem maior que a velocidade necessaacuteria para sua formaccedilatildeo como eacuteo caso do carvatildeo lenha combustiacuteveis foacutesseis e nucleares

Uma das medidas que vem sendo adotada em diversos paiacuteses eacute a diversificaccedilatildeoda matriz energeacutetica e a troca do uso de combustiacuteveis foacutesseis principalmente dopetroacuteleo e seus derivados lenha e carvatildeo por novas fontes limpas e renovaacuteveis comoa energia eoacutelica que seraacute objeto de estudo desse trabalho

A Alemanha por exemplo desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renovaacuteveisfoi implementada passa por uma mudanccedila energeacutetica contiacutenua conforme ilustra aFigura 11 tornando as fontes renovaacuteveis o grande foco da matriz de energia alematilde

1

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

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Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

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De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

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Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

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Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

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passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 15: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 11 Histoacuterico da Matriz Energeacutetica Alematilde [1]

No Brasil a adoccedilatildeo da energia eoacutelica como fonte geradora de energia eleacutetricaainda eacute pequena se comparada com o potencial eoacutelico disponiacutevel no paiacutes Os seusaltos custos iniciais conferiram agrave energia eoacutelica uma condiccedilatildeo de baixa competiti-vidade no mercado nacional por muito tempo Graccedilas agraves poliacuteticas de incentivoseconocircmicos e regulatoacuterios a energia eoacutelica conseguiu superar algumas de suas difi-culdades e experimentou um impressionante aumento na sua participaccedilatildeo na matrizeleacutetrica brasileira

Figura 12 Matriz Energeacutetica Brasileira 2009 [2]

2

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

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Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

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De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

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Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

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Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 16: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 13 Matriz Energeacutetica Brasileira 2015 [3]

Figura 14 Matriz Energeacutetica Brasileira 2017 [4]

Umas das poliacuteticas foi a Resoluccedilatildeo Normativa 4822012 da ANEEL que entrouem vigor em 12 de abril de 2012 permitindo que qualquer consumidor brasileiropossa gerar sua proacutepria energia eleacutetrica a partir de fontes renovaacuteveis e caso hajaexcedente na sua produccedilatildeo que possa fornececirc-lo agrave rede de distribuiccedilatildeo da localidade[5] estimulando o crescimento da geraccedilatildeo distribuiacuteda como eacute mostrado no graacuteficoda Figura 15

A geraccedilatildeo distribuiacuteda eacute uma expressatildeo usada para a geraccedilatildeo eleacutetrica realizadaproacutexima ao consumidor independente da concessionaacuteria de energia eleacutetrica

3

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

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De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

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Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

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Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

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Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

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passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

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Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

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  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 17: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 15 Evoluccedilatildeo do nuacutemero de conexotildees de Geraccedilatildeo Distribuiacuteda[6]

Aleacutem desses incentivos outros fatores promoveram o crescimento da geraccedilatildeodistribuiacuteda como a baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica no Brasilconforme eacute mostrado na Figura 16 e as oscilaccedilotildees do custo de energia em razatildeo dadependecircncia hiacutedrica na produccedilatildeo de energia como ocorreu em 2015 com o aumentode 70 das tarifas de energia eleacutetrica conforme mostrado na Figura 17 Tais fatoresgeram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependecircncia darede externa

Figura 16 Evoluccedilatildeo das interrupccedilotildees de energia em minutos ao longodos anos[7] [8]

4

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

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De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

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Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

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Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

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Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

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Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

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  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 18: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 17 Preccedilo Meacutedio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo[9]

Diante desse cenaacuterio e da grande disponibilidade de ventos na regiatildeo a ser estu-dada este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalaccedilatildeo de aeroge-radores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

11 Objetivo

Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalaccedilatildeo de aerogera-dores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do CaboRegiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro determinando a melhor turbina eoacutelica parainstalaccedilatildeo no local e projetando o valor da instalaccedilatildeo do aerogerador e o tempo deretorno (payback) do projeto

12 Justificativa

A caracteriacutestica da regiatildeo escolhida com ventos fortes e constantes motivarama avaliaccedilatildeo da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontesalternativas satildeo bastantes procuradas na resoluccedilatildeo dos problemas de fornecimentosde energia eleacutetrica registrados na regiatildeo

5

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

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Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

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Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

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Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

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Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 19: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

13 Metodologia

Metodologia utilizada no trabalho

1 Contextualizaccedilatildeo histoacuterica

2 Revisatildeo teacutecnica da energia eoacutelica

3 Revisatildeo teoacuterica dos modelos matemaacuteticos presentes na geraccedilatildeo eoacutelica

4 Elaboraccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores

14 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho estaacute dividido em oito capiacutetulos dos quais esta introduccedilatildeo eacuteo primeiro

No Capiacutetulo 2 eacute realizada uma apresentaccedilatildeo da histoacuteria da energia eoacutelica seusprimeiros projetos e sua representaccedilatildeo no Brasil e no Mundo

O Capitulo 3 trata de uma revisatildeo teacutecnica dos principais conceitos e caracteriacutes-ticas relacionados agrave energia eoacutelica tais como o funcionamento dos aerogeradoresos tipos de aerogeradores e as classes de geraccedilatildeo

O enfoque principal do Capitulo 4 eacute a realizaccedilatildeo de uma revisatildeo teoacuterica dapotecircncia extraiacuteda do vento e de geraccedilatildeo da solidez do rotor e as aplicaccedilotildees desistemas eoacutelicos

O Capitulo 5 refere-se agrave realizaccedilatildeo do dimensionamento de aerogeradores depequeno porte numa pousada localizadas na Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro

No Capiacutetulo 6 eacute feita uma conclusatildeo de todos os estudos realizados ao longodesse projeto e por fim eacute apresentada a bibliografia utilizada

6

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

7

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

8

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

13

menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

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Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

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Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

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Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

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Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

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baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

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Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

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Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

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Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 20: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Capiacutetulo 2

Geraccedilatildeo Eoacutelica

21 Histoacuterico

A utilizaccedilatildeo do vento como um recurso beneacutefico ao Homem surgiu na descobertada conversatildeo da energia contida nele em algo produtivo Desde aproximadamente200 AC a forccedila mecacircnica dos ventos eacute utilizada pelo homem em moinhos degratildeos impulsionando velas fixadas nas embarcaccedilotildees e bombeando aacutegua para asplantaccedilotildees Assim a forccedila motriz humana e animal foi sendo complementada e aospoucos substituiacuteda pela energia do vento

O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de aacutegua e moagemde gratildeos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na histoacuteria naPeacutersia cerca de 200 AC Entretanto existem indiacutecios que levam a crer que antesda invenccedilatildeo dos cata-ventos na Peacutersia a China (2000 AC) e o Impeacuterio Babilocircnico(1700 AC) jaacute usavam os cata-ventos ruacutesticos para irrigaccedilatildeo [10]

Figura 21 Resquiacutecios arqueoloacutegicos de moinhos de vento Persa [11]

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Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

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cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

13

menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

14

Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

18

Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

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Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

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baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

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renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

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54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

[1] NEXO ldquoPrincipal fonte de energia dos paiacutesesrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20180327HidrelC3A9tricas-carvC3A3o-petrC3B3leo-como-cada-paC3

ADs-gera-sua-energiagt Acesso em 04122018

[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

RelatC3B3rio20Final202010pdfgt Acesso em 30122018

[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

RelatC3B3rio20Final202015pdfgt Acesso em 30102018

[4] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2017rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-46topico-82

Relatorio_Final_BEN_2017pdfgt Acesso em 30092018

[5] ANEEL ldquoResoluccedilatildeo Normativa No 482rdquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrcedocren2012482pdfgt Acesso em 23072018

[6] ASTRASOLAR ldquoGeraccedilatildeo Distribuiacuteda no Brasilrdquo 2017 Disponiacute-vel em lthttpsastrasolarcombrenergia-distribuidageracao-distribuida-no-brasilgt Acesso em 10022019

[7] 50160 C E ldquoVoltage charcteristics of eletricity supplies by public distribuitionnetworksrdquo 2007

[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

[10] CRESESB ldquoEnergia Eoacutelica Princiacutepios e Tecnologiardquo Disponiacutevelem lthttpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorialtutorial_eolica_2008_e-bookpdfgt Acesso em 10122018

[11] NETTO A S ESTUDO DE VIABILIDADE DE MICROGERACcedilAtildeO DEENERGIA EOacuteLICA NO CAMPUS DA UTFPR DE GUARAPUAVATese de Mestrado Curitiba 2017

[12] WIKIPEDIA ldquoCharles Francis Brushrdquo Disponiacutevel em lthttpsptwikipediaorgwikiCharles_Francis_Brushgt Acesso em10082018

[13] TRAJANO R C BARROS V C D A Estudo Preliminar de Implantaccedilatildeo deParque Eoacutelico Trabalho de conclusatildeo de curso Universidade de BrasiacuteliaBrasiacutelia 2009

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

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Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

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Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

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Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

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  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 21: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Iniciou-se no final do seacuteculo XIX a utilizaccedilatildeo dos cata-ventos para geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica O primeiro moinho de vento construiacutedo para a produccedilatildeo de energiaeleacutetrica foi fabricado na Escoacutecia no ano de 1887 [12] Instalado no jardim de umacasa a geraccedilatildeo do moinho carregava acumuladores que alimentavam a iluminaccedilatildeoda casa Um ano depois em Ohio Estados Unidos foi instalado o primeiro cata-vento destinado a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Tal cata-vento fornecia 12 kW emcorrente contiacutenua para carregamento de baterias destinadas para o fornecimento deenergia para 350 lacircmpadas incandescentes

Figura 22 Aerogerador projetado por Charles F Brush em 1888 [12]

Cerca de 40 anos depois da construccedilatildeo do moinho de vento destinado a geraccedilatildeo deenergia eleacutetrica na Ruacutessia foram dados os primeiros passos para o desenvolvimentode turbinas eoacutelicas de grande porte para aplicaccedilotildees eleacutetricas O aerogerador Bala-clava de potecircncia de 100 kW foi o primeiro aerogerador conectado a rede eleacutetricaAtraveacutes da linha de transmissatildeo de 63 kV de 30 km o aerogerador foi conectado auma usina termeleacutetrica de 20 MW Apoacutes essa primeira tentativa bem-sucedida dese conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina foram projetadosdiversos outros modelos mais ambiciosos

O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou forccedila durante a Segunda GuerraMundial (1939 ndash 1945) uma vez que os paiacuteses buscavam economizar combustiacuteveisfoacutesseis No entanto com o fim da guerra os combustiacuteveis foacutesseis voltaram a serabundantes no cenaacuterio mundial reduzindo o investimento em novas fontes energeacuteti-

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cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

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na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

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Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

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De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

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Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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[40] AMARANTE O C ET AL Atlas do Potencial Eoacutelico Brasileiro - CEPELBrasiacutelia 2001

[41] CRESESB Atlas Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro 2002

[42] FIRJAN ldquoRetrato da Qualidade da Energia no Estadodo Rio de Janeirordquo Disponiacutevel em lthttpswwwfirjancombrpublicacoespublicacoes-de-economia

retrato-da-qualidade-da-energia-no-estado-do-rio-de-janeiro

htmgt Acesso em 06022019

62

[43] WINDFINDER ldquoEstaccedilotildees Meteoroloacutegica Aeroporto Cabo Friordquo Disponiacutevel emlthttpsptwindfindercomwindstatisticscabo_friogt Acessoem 13032019

[44] GOOGLE MAPS ldquoLocalizaccedilatildeo da Pousadardquo Disponiacutevel em lthttpswwwgooglecommapsgt Acesso em 12022019

[45] TOPOGRAFIC MAP ldquoRelevordquo Disponiacutevel em lthttppt-brtopographic-mapcomplacesRelevo-3550473gt Acesso em10022019

[46] ENEL ldquoSimulador de Consumordquo Disponiacutevel em lthttpsenel-rjsimuladordeconsumocombrgt Acesso em 10022019

[47] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Notus 138rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos14_167936Notus138jpggt Acessoem 12022019

[48] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Gerar 246rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos1_40960Gerar246jpggt Acesso em12022019

[49] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Razec 266rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos15_40960Razec266jpggt Acessoem 12022019

[50] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Verne 555rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos16_131072Verne555jpggt Acessoem 12022019

[51] ENEL ldquoTaxas Tarifas e Impostosrdquo Disponiacutevel em lthttpswwwenelcombrptTarifas_Enelhtmlgt Acesso em 12022019

63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 22: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

cas como a energia eoacutelica

Na deacutecada de 70 quando a eletricidade jaacute era predominantemente fornecidapor combustiacuteveis foacutesseis aconteceu a crise do petroacuteleo Diante da necessidade deencontrar fontes alternativas de energia a energia eoacutelica voltou a ganhar prestiacutegio

Na deacutecada de 90 surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geraccedilatildeo eoacutelicaa Lei de Fomento agrave Eletricidade que criou a feed-in tariff conhecida como tarifa-precircmio que garantia a compra de toda energia gerada por um preccedilo equivalenteno miacutenimo a 90 do preccedilo meacutedio de venda de energia aos produtores de energiaque utilizassem fonte eoacutelica ou solar Esse incentivo possibilitou um crescimentoexpressivo da potecircncia eoacutelica instalada no mundo a partir do meio da deacutecada de90 Dessa forma no final do seacuteculo XX o mercado de energia eoacutelica se diversificousurgindo instalaccedilotildees e fabricantes em diversas partes do mundo como Aacutesia Iacutendia eChina [13]

22 Cenaacuterio Atual

No seacuteculo XXI a energia eoacutelica jaacute estaacute presente no mundo todo e estaacute despon-tando como uma das principais fontes alternativas de energia Sendo de granderelevacircncia na reduccedilatildeo das emissotildees de gases poluentes que causam o efeito estufaO crescimento da energia eoacutelica nesse seacuteculo eacute bastante expressivo a potecircncia deenergia eoacutelica instalada no mundo em 2001 era de 239 GW e em 2017 esse nuacutemerochegou perto de 540 GW de potecircncia instalada um aumento de 2260 em 17 anosA expectativa eacute que em 4 anos no ano de 2021 a potecircncia de energia eoacutelica instaladaatinja a marca de 800 GW [14]

Figura 23 Potecircncia eoacutelica instalada no mundo [14]

Atualmente o maior produtor de energia eoacutelica eacute a China com 188 GW seguidapelos Estados Unidos que possui 89 GW de potecircncia instalada O Brasil se encontra

9

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

10

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

13

menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

14

Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

15

A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

16

dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

17

Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

18

Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

19

Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

22

Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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59

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 23: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

na 8a posiccedilatildeo no ranking dos paiacuteses produtores de energia eoacutelica com 127 GW [14]

O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hiacutedricos com ocrescimento econocircmico aumento da demanda de eletricidade no paiacutes e as mudanccedilasclimaacuteticas a dependecircncia histoacuterica em energia hidreleacutetrica torna-se cada vez maisdesafiadora levando o governo a diversificar sua matriz de energia eleacutetrica Graccedilasao Programa de Incentivo agraves Fontes de Energia Eleacutetrica Alternativas (PROINFA)um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas aproduccedilatildeo de energia eoacutelica no Brasil tem aumentado Nos graacuteficos das Figuras 24e 25 eacute possiacutevel observar esse processo de diversificaccedilatildeo com a reduccedilatildeo da geraccedilatildeohidrauacutelica de 769 em 2009 para 652 em 2017 [15]

Figura 24 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2017 [15]

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Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

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De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

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Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

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Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

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Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

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passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

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Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

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Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 24: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 25 Oferta Interna de Energia Eleacutetrica por Fonte - 2009 [2]

Dado ao extraordinaacuterio potencial eoacutelico nacional os custos cada vez mais com-petitivos e a complementaridade entre os periacuteodos de chuvas e de ventos em algumasaacutereas a energia eoacutelica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente No graacute-fico da Figura 26 eacute possiacutevel verificar tal complementariedade No periacuteodo de baixavazatildeo do Rio Satildeo Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordesteatingem suas maiores velocidades [16]

Figura 26 Complementaridade entre a geraccedilatildeo hidreleacutetrica e eoacutelica[17]

11

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

12

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

13

menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

14

Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

15

A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

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na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

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43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

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de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

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Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

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Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

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baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

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renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

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54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

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No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

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Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

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Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

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[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

RelatC3B3rio20Final202015pdfgt Acesso em 30102018

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[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

[10] CRESESB ldquoEnergia Eoacutelica Princiacutepios e Tecnologiardquo Disponiacutevelem lthttpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorialtutorial_eolica_2008_e-bookpdfgt Acesso em 10122018

[11] NETTO A S ESTUDO DE VIABILIDADE DE MICROGERACcedilAtildeO DEENERGIA EOacuteLICA NO CAMPUS DA UTFPR DE GUARAPUAVATese de Mestrado Curitiba 2017

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60

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 25: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renovaacuteveis do Instituto Na-cional de Ciecircncia e Tecnologia para Mudanccedilas Climaacuteticas (INCT-Clima) o Brasilpossui um grande potencial eoacutelica de 880 GW [18] No entanto conforme divulgadopelo Global Wind Energy Council (GWEC) o Brasil possui apenas 127 GW depotecircncia eoacutelica instalada utilizando assim apenas 15 do seu potencial [14]

Ao longo desse iniacutecio de seacuteculo XXI a energia eoacutelica vem crescendo rapidamenteno cenaacuterio brasileiro e se tornando uma energia renovaacutevel cada vez mais relevante namatriz energeacutetica brasileira Nos uacuteltimos 10 anos a capacidade instalada aumentou52 vezes como eacute mostrado no graacutefico da Figura 27 A capacidade instalada noBrasil passou de 247 MW em 2007 para 12763 MW em 2017

Figura 27 Potecircncia eoacutelica instalada no BrasilElaboraccedilatildeo Proacutepria

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Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

14

Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

15

A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

18

Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 26: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Capiacutetulo 3

Revisatildeo Teacutecnica

Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador eacute importante revisar-mos a histoacuteria da energia eoacutelica suas aplicaccedilotildees princiacutepios de funcionamento prin-cipais componentes e classificaccedilatildeo dos aerogeradores

31 Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Apesar da Resoluccedilatildeo Normativa 482 natildeo ser adequada para este projeto eacute impor-tante comentar sua aplicabilidade como forma de reforccedilar a negaccedilatildeo de sua aplicaccedilatildeoe fazer uso apenas de suas terminologias de classificaccedilotildees dos aproveitamentos ener-geacuteticos Sendo assim de modo geral a pessoa fiacutesica e juriacutedica comuns satildeo habilitadosa possuir ateacute 5 MW (megawatts) de potecircncia instalada de modo que se restringe agravesassociaccedilotildees geradoras a tarefa de gerar potecircncias superiores a tal montante sejamelas vinculadas ou natildeo a concessionaacuterias ou distribuidoras Nesse contexto define-semicrogeraccedilatildeo de energia um sistema gerador de ateacute 75 kW em potecircncia instaladaA minigeraccedilatildeo assume potecircncia instalada da faixa de 75 kW a 5 MW exceto parafontes hiacutedricas para as quais o maacuteximo gerado eacute de 3 MW como segue a norma aseguir constituinte do Artigo 2o da Resoluccedilatildeo Normativa No 687 de 24 de Novem-bro de 2015 (ANEEL 2015) [19] que altera a Resoluccedilatildeo Normativa No 482 de 17de Abril de 2012 (ANEEL 2012) [5]

ldquo[] I - microgeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com po-tecircncia instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize cogeraccedilatildeo qualificada conformeregulamentaccedilatildeo da ANEEL ou fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada narede de distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras

II - minigeraccedilatildeo distribuiacuteda central geradora de energia eleacutetrica com potecircn-cia instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hiacutedricas ou

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menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

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Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

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Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

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Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

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  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 27: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

menor ou igual a 5 MW para cogeraccedilatildeo qualificada conforme regulamentaccedilatildeo daANEEL ou para as demais fontes renovaacuteveis de energia eleacutetrica conectada na redede distribuiccedilatildeo por meio de instalaccedilotildees de unidades consumidoras []rdquo

32 Princiacutepio de Funcionamento

A energia eoacutelica tambeacutem conhecida como energia dos ventos consiste na energiacineacutetica existente no deslocamento de massas de ar Tal deslocamento eacute produzidopelas diferenccedilas na pressatildeo atmosfeacuterica isto eacute o sol ao transferir maior energia paraas regiotildees em que seus raios satildeo perpendiculares promove uma maior temperaturano troacutepico do Equador em relaccedilatildeo aos polos Esse maior aquecimento no Equadorpromove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equadorgerando assim o vento

O vento eacute influenciado por diversos aspectos naturais como latitude altitudecaracteriacutesticas topograacuteficas e rugosidade do solo A vegetaccedilatildeo e o relevo por exem-plo podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulecircncia ao redordele Desta forma percebe-se que a velocidade do vento eacute extremamente sensiacutevel adiversos fatores e como a geraccedilatildeo de energia eoacutelica eacute proporcional ao cubo da velo-cidade do vento para a instalaccedilatildeo de uma turbina eoacutelica eacute de extrema importacircnciaa realizaccedilatildeo de um estudo do vento no local

A transformaccedilatildeo da energia eoacutelica em energia eleacutetrica ocorre atraveacutes da conversatildeoda energia cineacutetica contida nas massas de ar atmosfeacuterico em energia eleacutetrica com oauxiacutelio dos aerogeradores

Os aerogeradores ou turbinas eoacutelicas satildeo compostos por paacutes que estatildeo acopladasa um eixo central A forccedila do vento faz com que as paacutes girem fazendo o eixo dogerador girar desse modo a energia cineacutetica do vento eacute transformada em energiamecacircnica Esta eacute depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo dorotor onde estatildeo inseridas as paacutes Esta energia eleacutetrica por sua vez eacute enviada porcabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede eleacutetrica ou a umbanco de baterias no caso de sistemas autocircnomos

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Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

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A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

18

Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

22

Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 28: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 31 Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal [20]

33 Componentes do Gerador Eoacutelico

Os aerogeradores satildeo constituiacutedos por paacutes rotor caixa de engrenagens geradoreleacutetrico torre de suporte sistema de freios e sensor de direccedilatildeo

As paacutes satildeo os componentes dos aerogeradores responsaacuteveis pela captaccedilatildeo daenergia eoacutelica e conversatildeo em energia rotacional Possuem na maioria das vezesformato de asa de aviatildeo e podem chegar a medir mais de 30 metros Devem serresistentes leves e possuir um bom rendimento aerodinacircmico

O rotor ao qual estatildeo acopladas as heacutelices ou paacutes eacute responsaacutevel por acionar ogerador eleacutetrico atraveacutes da transferecircncia de energia mecacircnica para o gerador Oeixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador eleacutetrico ou pormeio de uma caixa de engrenagens

15

A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

16

dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

18

Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

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eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

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Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

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Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

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Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

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Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

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  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 29: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

A caixa de engrenagens eacute responsaacutevel por aumentar a velocidade de rotaccedilatildeodo gerador eleacutetrico jaacute que a baixa rotaccedilatildeo das paacutes eacute insuficiente para acionar ogerador eleacutetrico A utilizaccedilatildeo das caixas de engrenagens no entanto eacute dispensaacutevel emalgumas unidades de aerogeradores onde o eixo do rotor eacute entatildeo ligado diretamenteao gerador eleacutetrico Neste caso eacute utilizado um gerador eleacutetrico com elevado nuacutemerode polos

O gerador eleacutetrico por sua vez eacute o componente responsaacutevel pela conversatildeo daenergia mecacircnica em energia eleacutetrica

A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e eacute responsaacutevel por elevara turbina a alturas onde as velocidades dos ventos satildeo mais adequadas a geraccedilatildeo

O sistema de freio junto ao eixo principal tem a funccedilatildeo de controlar a velocidadede movimento das paacutes Em tempo de tempestade o sistema de freio eacute normalmenteacionado impedindo que as heacutelices girem a velocidades superiores agraves adequadas

Aleacutem dos componentes principais os aerogeradores satildeo compostos por um sensorde direccedilatildeo que tem a funcionalidade de girar as heacutelices no sentido de apanhar o ventopela frente e obter o maacuteximo aproveitamento

34 Tipos de Turbinas Eoacutelicas

As turbinas eoacutelicas fabricadas atualmente satildeo classificadas quanto a sua capaci-dade de geraccedilatildeo eleacutetrica e quanto agrave orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao soloAs turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potecircn-cia na ordem de dezenas de kW chegando a produzir ateacute 50 kW e satildeo utilizadas emaacutereas rurais As turbinas de meacutedio porte satildeo aquelas turbinas capazes de gerar po-tecircncia entre 50 kW e 1000 kW e normalmente satildeo aplicadas em geraccedilatildeo distribuiacutedae sistemas hiacutebridos As turbinas denominadas de grande porte produzem potecircnciaacima de 1000 kW e satildeo utilizadas por usinas eoacutelicas e na maioria das vezes estatildeoconectadas nas redes eleacutetricas

Quanto a orientaccedilatildeo do eixo do rotor em relaccedilatildeo ao solo as turbinas satildeo classi-ficadas em

1 Turbinas de Rotores de Eixo Vertical satildeo utilizadas em aacutereas urbanaspois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitempoucos ruiacutedos em comparaccedilatildeo agraves turbinas eoacutelicas de eixo horizontal Suastorres de sustentaccedilatildeo satildeo baixas fazendo com que essas turbinas operem comventos de baixa velocidade Essa baixa estatura permite a instalaccedilatildeo dos

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dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

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Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

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Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

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Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

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Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 30: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

dispositivos de conversatildeo de energia em alturas mais acessiacuteveis facilitando amanutenccedilatildeo desses No entanto natildeo satildeo muito eficientes se comparadas agravesde eixo horizontal na aacuterea rural diante disso esse modelo eacute mais utilizadoem pequenos projetos e em instalaccedilotildees de pequenas potecircnciasEssas turbinasno entanto possuem uma vantagem em relaccedilatildeo as de eixo horizontal poisnatildeo necessitam de sensor de direccedilatildeo reduzindo a complexidade do projetoOs principais tipos de turbinas com eixo vertical satildeo Darrieus Savonius eDarrieus-Savonius

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus esse modelo de turbina de eixovertical foi desenvolvido pelo engenheiro francecircs Georges J M Darrieusem 1931 [21] Esse tipo de turbina eacute movido por forccedila de sustentaccedilatildeo pos-suindo uma grande eficiecircncia em relaccedilatildeo aos demais Aleacutem disso possuitorque de partida baixo exigindo geralmente alguma fonte de alimentaccedilatildeoexterna ou um rotor Savonius adicional

Figura 32 Turbina Darrieus [21]

bull Turbinas de Eixo Vertical Savonius foram desenvolvidas em 1922na Finlacircndia pelo engenheiro S J Savonius e satildeo constituiacutedas de paacutes comsuperfiacutecies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passarentre elas [22]Esse modelo de turbina utiliza a forccedila de arrasto e dependede uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para comeccedilar agirar Com isso possui baixo rendimento podendo chegar a cerca de15 de eficiecircncia Devido agrave baixa eficiecircncia a turbina de Savonius natildeo eacuteadequada para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Poreacutem como possuem altotorque de partida e baixa rotaccedilatildeo satildeo bastante utilizadas em aplicaccedilotildeescomo bombeamento de aacutegua e moagem de gratildeos

17

Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

18

Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

19

Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

22

Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

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[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

RelatC3B3rio20Final202015pdfgt Acesso em 30102018

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[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

[10] CRESESB ldquoEnergia Eoacutelica Princiacutepios e Tecnologiardquo Disponiacutevelem lthttpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorialtutorial_eolica_2008_e-bookpdfgt Acesso em 10122018

[11] NETTO A S ESTUDO DE VIABILIDADE DE MICROGERACcedilAtildeO DEENERGIA EOacuteLICA NO CAMPUS DA UTFPR DE GUARAPUAVATese de Mestrado Curitiba 2017

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60

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 31: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 33 Turbina Savonius [23]

bull Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius Os modelos anteri-ormente citados podem ser utilizados juntos onde os sistemas Darrieus eSavonius satildeo acoplados ao mesmo eixo Desse modo a turbina Savoniuseacute utilizada para dar o arranque agrave turbina Darrieus e esta eacute utilizada paragerar mais potecircncia utilizando as vantagens de cada um dos tipos deturbina

Figura 34 Configuraccedilotildees da Darrieus-Savonius [24]

2 Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal satildeo as mais conhecidas e utili-zadas na geraccedilatildeo de energia eleacutetrica ao redor do mundo Apesar de terem umcusto mais elevado que os de eixo vertical apresentam uma maior eficiecircncia erendimento Ao contraacuterio das turbinas de eixo vertical esse modelo necessitado sensor de direccedilatildeo para mantecirc-lo de frente para o vento obtendo o maacuteximode energia eoacutelica Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metrosde altura As turbinas eoacutelicas de eixo horizontal satildeo predominantemente mo-vidas por forccedila de sustentaccedilatildeo [25] Por possuiacuterem baixo torque de partida soacuteoperam com velocidades elevadas de ventos

18

Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

19

Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

22

Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 32: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 35 Turbina Horizontal [26]

341 Aerogeradores de Pequeno Porte

As turbinas de pequeno porte que seratildeo utilizadas no dimensionamento podemser classificadas de acordo com a ANEEL em micro e minigeradores eoacutelicos que satildeosistemas de geraccedilatildeo eleacutetrica a partir da forccedila dos ventos com potecircncia suficiente paraproduzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores como casase comeacutercios Segundo a Resoluccedilatildeo Normativa REN 687-2015 os microgeradores satildeosistemas com potecircncia igual ou de ateacute 75 kW e minigeradores acima de 75 kW eateacute 5 MW

A maioria das turbinas de pequeno porte satildeo de eixo horizontal no entanto asturbinas de eixo vertical estatildeo ganhando forccedila no mercado de pequeno porte Asturbinas de pequeno porte satildeo em geral trifaacutesicas e geram em corrente alternadaNecessitam normalmente de uma velocidade miacutenima de vento de 4 ms

Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte estatildeoSouthwest Windpower Superwind Fortis Windenergy Ampair Microwind AirconBergey Windpower Co Aerofortis e Enersud A turbina Skystream 37 do fabricanteSouthwest Windpower eacute capaz de gerar ateacute 24 kW a 13 ms e a turbina Superwind350 do fabricante Superwind eacute capaz de gerar 350 W a 125 ms

19

Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

22

Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 33: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 36 Turbinas Skystream Superwind 350 e Whisper 500[27] [28]

Em relaccedilatildeo aos fabricantes de turbinas de eixo vertical pode-se citar a WePowerAeolos Wind Energy Urban Green Energy Mariah Power Helix Wind WindsideRopatec Four Seasons Windpower Hi-VAWT Technology Ningbo Solar Co GreenTechnology Co Bayat Energy Bjerga Engineering e Enersud Na Figura 37 satildeoapresentados trecircs exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte

Figura 37 Turbinas VAWT 300W WS-015 B e Falcon 600W[29] [30][31]

20

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

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Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

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tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 34: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Capiacutetulo 4

Revisatildeo Teoacuterica

Complementando a revisatildeo histoacuterica e teacutecnica apresentadas segue neste capiacutetulouma revisatildeo teoacuterica para melhor compreensatildeo do funcionamento dos aerogeradores

41 Potecircncia do Vento

A energia cineacutetica de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade vpode ser obtida atraveacutes da expressatildeo

E =1

2mv2 (41)

A potecircncia eacute entatildeo obtida pela deriva da energia em relaccedilatildeo ao tempo para umavelocidade constante

P =dE

dt=

1

2mv2 (42)

Onde m eacute o fluxo da massa de ar (kgs) e eacute igual a

m = ρvA (43)

Atraveacutes da combinaccedilatildeo das equaccedilotildees supracitadas eacute possiacutevel obter a expressatildeoque descreve a potecircncia disponiacutevel no vento que passa pela seccedilatildeo A

P =1

2ρAv3 (44)

Nota-se a partir da Equaccedilatildeo 44 que a velocidade influencia significativamente

21

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

22

Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 35: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

na potecircncia disponiacutevel Aleacutem disso quanto maior a dimensatildeo das paacutes maior a aacutereavarrida por elas isto eacute maior a variaacutevel A e consequentemente maior a potecircnciadisponiacutevel no vento

A aacuterea varrida pelas paacutes varia de acordo com o modelo da turbina isto eacute variaconforme a disposiccedilatildeo das paacutes nos eixos da turbina Nas turbinas de eixo horizontala aacuterea varrida eacute obtida pela aacuterea de uma circunferecircncia em que o raio eacute representadopelo comprimento das paacutes Jaacute nas turbinas de Darrieus de paacutes retas por exemploa aacuterea varrida eacute obtida pela altura das paacutes e o diacircmetro da turbina

42 Potecircncia Aproveitaacutevel

A potecircncia disponiacutevel no vento poreacutem natildeo pode ser completamente aproveitadapela turbina eoacutelica na conversatildeo de energia eleacutetrica Com isso devemos introduzir naEquaccedilatildeo 44 o iacutendice Cp que eacute definido como a fraccedilatildeo da potecircncia eoacutelica disponiacutevelque eacute extraiacuteda pelas paacutes do rotor

Caso toda potecircncia disponiacutevel do vento pudesse ser extraiacuteda pelas paacutes do rotora velocidade do vento seria igual a zero na saiacuteda da turbina isto eacute a turbina agiriacomo uma barreira Por outro lado se a velocidade de saiacuteda da turbina fosse amesma velocidade do vento incidente na turbina a potecircncia extraiacuteda do vento serianula Logo para se obter uma potecircncia maacutexima extraiacuteda eacute preciso encontrar umavelocidade entre as velocidades extremas expostas acima O fiacutesico alematildeo AbertBetz chegou a uma velocidade oacutetima que possibilita a extraccedilatildeo maacutexima de potecircnciaconstatada por ele igual a 59 da potecircncia disponiacutevel no vento Esse limite noentanto eacute teoacuterico na praacutetica as turbinas operam abaixo desse limite o coeficientedas turbinas com melhor desempenho no mercado estaacute entre 035 e 045

No graacutefico da Figura 41 eacute possiacutevel observar o comportamento dos coeficientes depotecircncia em alguns tipos de turbinas eoacutelicas Aleacutem disso nota-se que o coeficientede potecircncia varia em funccedilatildeo da velocidade especiacutefica (λ) que corresponde a razatildeoentre a velocidade da ponta da paacute e a velocidade do vento

22

Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

[1] NEXO ldquoPrincipal fonte de energia dos paiacutesesrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20180327HidrelC3A9tricas-carvC3A3o-petrC3B3leo-como-cada-paC3

ADs-gera-sua-energiagt Acesso em 04122018

[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

RelatC3B3rio20Final202010pdfgt Acesso em 30122018

[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

RelatC3B3rio20Final202015pdfgt Acesso em 30102018

[4] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2017rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-46topico-82

Relatorio_Final_BEN_2017pdfgt Acesso em 30092018

[5] ANEEL ldquoResoluccedilatildeo Normativa No 482rdquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrcedocren2012482pdfgt Acesso em 23072018

[6] ASTRASOLAR ldquoGeraccedilatildeo Distribuiacuteda no Brasilrdquo 2017 Disponiacute-vel em lthttpsastrasolarcombrenergia-distribuidageracao-distribuida-no-brasilgt Acesso em 10022019

[7] 50160 C E ldquoVoltage charcteristics of eletricity supplies by public distribuitionnetworksrdquo 2007

[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 36: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 41 Relaccedilatildeo entre coeficiente de potecircncia e razatildeo de velocidades[32]

Entatildeo a potecircncia mecacircnica extraiacuteda do vento pelo aerogerador eacute definida pelaexpressatildeo

Pmec =1

2ρAv3cp (45)

Apoacutes captaccedilatildeo da energia cineacutetica do vento e transformaccedilatildeo em energia mecacircnicade rotaccedilatildeo a potecircncia mecacircnica deve ser convertida em potecircncia eleacutetrica pelo geradoreleacutetrico Assim a potecircncia eleacutetrica varia em funccedilatildeo de diversas variaacuteveis comocondiccedilotildees do vento tamanho das paacutes rendimento do aerogerador rendimento dogerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens Com isso a potecircncia eleacutetricaeacute determinada pela expressatildeo

Pe =1

2ρAv3cpηgηm (46)

Para um maior aproveitamento do recurso eoacutelico eacute importante que a velocidadedo rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e eacute necessaacuterio que ogerador eleacutetrico seja compatiacutevel com as condiccedilotildees de vento da regiatildeo

23

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

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Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 37: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

43 Velocidade Especiacutefica

A velocidade especiacutefica citada na seccedilatildeo anterior trata de um paracircmetro impor-tante no estudo de turbinas eoacutelicas Como foi visto a velocidade especiacutefica λ eacute arazatildeo entre a velocidade da ponta da paacute Vu e a velocidade do vento V

λ =VuV

(47)

Por sua vez a velocidade da ponta da paacute Vu eacute definida pelo produto da veloci-dade angular da turbina ω e o raio da turbina R

Vu = ωR (48)

Como a velocidade angular ω trata-se da razatildeo entre o deslocamento angularpelo intervalo de tempo do movimento nota-se que turbinas eoacutelicas de grande porteapresentam baixa velocidade angular ao contraacuterio das turbinas de pequeno porteque possuem alta velocidade angular Assim turbinas com potecircncia na ordem dekW chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcanccedilamvelocidades de cerca de 20 rpm [33]

44 Solidez do Rotor

Outro paracircmetro importante no estudo de turbinas eoacutelicas eacute a solidez do rotorque eacute definida como a razatildeo entre a aacuterea total das paacutes do rotor da turbina e a aacutereavarrida pelas paacutes

Ω =SN

A(49)

Onde S eacute a aacuterea da superfiacutecie das paacutes e rotor N eacute o nuacutemero de paacutes e A eacute a aacutereavarrida pelas paacutes

Sendo assim quanto maior for a aacuterea das paacutes e do rotor ou menor for a aacutereavarrida pelas paacutes maior seraacute a solidez da turbina Dessa forma as turbinas dealta solidez apresentam alto coeficiente de potecircncia a baixas velocidades de rotaccedilatildeoenquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contraacuterio [33] A solidez possuientatildeo uma relaccedilatildeo inversa com a velocidade especiacutefica λ como pode ser no graacute-fico na Figura 42 Normalmente as turbinas de alta solidez satildeo empregadas parabombeamento de aacutegua e as turbinas de baixa solidez satildeo utilizadas para geraccedilatildeo de

24

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 38: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

eletricidade

Figura 42 Relaccedilatildeo entre a solidez e a velocidade especiacutefica [34]

45 Fator de Capacidade

Para se avaliar o potencial eoacutelico de uma regiatildeo utiliza-se o fator de capaci-dade que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento efetivo ouestimado do total da potecircncia maacutexima instalada Sendo assim seu caacutelculo dependedas caracteriacutesticas do aerogerador instalado e das caracteriacutesticas do local

Alguns estados do Brasil como Cearaacute e Rio Grande do Norte apresentam umfator de capacidade eoacutelico entre 40 e 45 o que eacute considerado um oacutetimo resultadouma vez que estudos sobre o potencial eoacutelico mostram que a meacutedia mundial do fator

25

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

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Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 39: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

de capacidade eacute de 27 [35]

O fator de capacidade eacute diretamente influenciado por condiccedilotildees naturais comoo perfil de velocidade do vento e a turbulecircncia do local Para se obter um fatorde capacidade bom a turbulecircncia deve ser baixa possibilitando a instalaccedilatildeo deturbinas maiores com maior potecircncia de geraccedilatildeo Outras condiccedilotildees favoraacuteveis podemser atingidas e aumentar o fator de capacidade meacutedio como a otimizaccedilatildeo da curvade potecircncia da turbina Essa praacutetica faria a turbina operar por mais tempo empotecircncia oacutetima isso significaria produzir energia por mais tempo com menor estresseestrutural no equipamento e reduccedilatildeo de manutenccedilatildeo

O fator de capacidade (FC) de um determinado local eacute definido como a razatildeoentre a energia produzida (ou estimada) durante um ano e a energia que seriaproduzida caso o aerogerador operasse em sua potecircncia nominal durante 100 dotempo O FC pode ser escrito como

FC =Eeleacutetrica

PnominalT(410)

Onde

Pnominal = potecircncia nominal do aerogerador(Watts)

T = periacuteodo de anaacutelise em horas =8760 horas em um ano

46 Curva de Potecircncia

As curvas de potecircncia das turbinas eoacutelicas correspondem a um graacutefico que indicaa potecircncia gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador eacute submetido[36]

Sendo possiacutevel prever a produccedilatildeo de energia de uma turbina eoacutelica sem consi-derar os detalhes teacutecnicos de seus vaacuterios componentes A Figura 43 apresenta umexemplo de curva de potecircncia construiacuteda para dos geradores eoacutelicos

26

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

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Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 40: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 43 Curvas de potecircncia para dois geradores eoacutelicos [36]

A curva de potecircncia aponta trecircs pontos importantes para anaacutelise do desempenhoda turbina a velocidade de entrada a velocidade nominal e a velocidade de corte

bull Velocidade de entrada (Ve) a velocidade do vento em que a turbina comeccedilaa gerar energia

bull Velocidade nominal (Vn) a velocidade do vento em que a turbina eoacutelica atingesua energia nominal Isso muitas vezes significa a sua potecircncia maacutexima

bull Velocidade de corte superior (Vc) a velocidade do vento em que a turbinaeoacutelica desliga para evitar que a potecircncia do gerador trabalhe em niacuteveis preju-diciais Nessa velocidade os controladores de inclinaccedilatildeo reclinam as lacircminaspara permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor eacute freado

27

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

[1] NEXO ldquoPrincipal fonte de energia dos paiacutesesrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20180327HidrelC3A9tricas-carvC3A3o-petrC3B3leo-como-cada-paC3

ADs-gera-sua-energiagt Acesso em 04122018

[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

RelatC3B3rio20Final202010pdfgt Acesso em 30122018

[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

RelatC3B3rio20Final202015pdfgt Acesso em 30102018

[4] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2017rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-46topico-82

Relatorio_Final_BEN_2017pdfgt Acesso em 30092018

[5] ANEEL ldquoResoluccedilatildeo Normativa No 482rdquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrcedocren2012482pdfgt Acesso em 23072018

[6] ASTRASOLAR ldquoGeraccedilatildeo Distribuiacuteda no Brasilrdquo 2017 Disponiacute-vel em lthttpsastrasolarcombrenergia-distribuidageracao-distribuida-no-brasilgt Acesso em 10022019

[7] 50160 C E ldquoVoltage charcteristics of eletricity supplies by public distribuitionnetworksrdquo 2007

[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 41: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 44 Diagrama tiacutepico da curva de potecircncia de um gerador eoacutelicoElaboraccedilatildeo Proacutepria

47 Distribuiccedilatildeo de Weibull

A distribuiccedilatildeo de Weibull eacute um modelo matemaacutetico que atraveacutes de um fator deforma do vento e de uma meacutedia caracteriacutestica de velocidade descreve o provaacutevelcomportamento do vento ao longo do ano Para os ventos caracteriza-se como umadistribuiccedilatildeo de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]

Apoacutes a mediccedilatildeo dos dados eoacutelicos de uma regiatildeo calcula-se a meacutedia da velocidadedo vento e tambeacutem um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo Ateacutecnica em questatildeo associa uma foacutermula matemaacutetica que aproxima toda a curvabastando estar de posse desses dois valores Ela leva em consideraccedilatildeo o desvio padratildeodas medidas coletadas em campo sendo dessa forma um paracircmetro estatiacutestico

A foacutermula utilizada para a criaccedilatildeo das curvas de probabilidades de velocidadedo vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva A equaccedilatildeo quea distribuiccedilatildeo de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo sendoestes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade meacutedia dovento) e dois valores que satildeo interdependentes sendo estes a velocidade do vento ea frequecircncia com que este ocorre [37]

Freq(V ) =K

C

(V

C

)kminus1

exp

[minus(V

C

)minus1]

(411)

28

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

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[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

RelatC3B3rio20Final202015pdfgt Acesso em 30102018

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[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

[10] CRESESB ldquoEnergia Eoacutelica Princiacutepios e Tecnologiardquo Disponiacutevelem lthttpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorialtutorial_eolica_2008_e-bookpdfgt Acesso em 10122018

[11] NETTO A S ESTUDO DE VIABILIDADE DE MICROGERACcedilAtildeO DEENERGIA EOacuteLICA NO CAMPUS DA UTFPR DE GUARAPUAVATese de Mestrado Curitiba 2017

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60

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 42: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Onde

bull V ndash velocidade do vento

bull Freq(V) ndash frequecircncia que uma determinada velocidade aparece

bull C ndash velocidade meacutedia do vento

bull k ndash fator de forma do vento

Com a obtenccedilatildeo da frequecircncia em que a velocidade do vento ocorre em um dadoperiacuteodo por meio dos dados das curvas de potecircncia dos aerogeradores pode-seestimar a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica de uma determinada maacutequina gera ao longodo ano ou de uma estaccedilatildeo do ano por exemplo

48 Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos

Existem trecircs aplicaccedilotildees distintas onde os sistemas eoacutelicos podem ser utilizadossistemas independentes ou isolados sistemas hiacutebridos e sistemas interligados agrave redeeleacutetrica

481 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados satildeo caracterizados por possuiacuterem um gerador eoacutelico quenatildeo estaacute conectado agrave rede eleacutetrica sendo este gerador o uacutenico responsaacutevel pelofornecimento de energia eleacutetrica Este tipo de sistema na maioria das vezes utilizageradores de pequeno porte com a capacidade de geraccedilatildeo de ateacute 80 kW [25]

Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia como autilizaccedilatildeo de baterias que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos mo-mentos em que a potecircncia gerada eacute maior que a potecircncia necessaacuteria para o consumoDessa forma em situaccedilotildees que natildeo for possiacutevel produzir tanta energia as bateriasiratildeo suprir a potecircncia necessaacuteria para consumo

Como a produccedilatildeo eoacutelica de energia eacute irregular eacute sugerido para esses sistemaso uso de baterias de ciclo profundo que satildeo capazes de fornecer energia por maistempo e conseguem suportar vaacuterios ciclos de descarga sem sofrer danos Os sistemasque armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar acarga e descarga da bateria evitando danos agrave bateria por sobrecarga ou descargaprofunda Aleacutem dos controladores de carga eacute necessaacuterio no sistema um inversor que

29

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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[43] WINDFINDER ldquoEstaccedilotildees Meteoroloacutegica Aeroporto Cabo Friordquo Disponiacutevel emlthttpsptwindfindercomwindstatisticscabo_friogt Acessoem 13032019

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[45] TOPOGRAFIC MAP ldquoRelevordquo Disponiacutevel em lthttppt-brtopographic-mapcomplacesRelevo-3550473gt Acesso em10022019

[46] ENEL ldquoSimulador de Consumordquo Disponiacutevel em lthttpsenel-rjsimuladordeconsumocombrgt Acesso em 10022019

[47] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Notus 138rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos14_167936Notus138jpggt Acessoem 12022019

[48] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Gerar 246rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos1_40960Gerar246jpggt Acesso em12022019

[49] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Razec 266rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos15_40960Razec266jpggt Acessoem 12022019

[50] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Verne 555rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos16_131072Verne555jpggt Acessoem 12022019

[51] ENEL ldquoTaxas Tarifas e Impostosrdquo Disponiacutevel em lthttpswwwenelcombrptTarifas_Enelhtmlgt Acesso em 12022019

63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 43: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

tem a funccedilatildeo de converter a corrente continua das baterias em corrente alternadapara alimentaccedilatildeo de equipamentos que operam com corrente alternada

Figura 45 Diagrama de aerogerador em funccedilatildeo da carga utilizada [10]

482 Sistemas Hiacutebridos

Os sistemas hiacutebridos satildeo definidos como aqueles que embora desconectados darede convencional apresentam vaacuterias fontes de geraccedilatildeo de energia isto eacute aleacutem depossuiacuterem o gerador eoacutelico esses sistemas operam em conjunto com geradores adiesel ou moacutedulos fotovoltaicos entre outros

A utilizaccedilatildeo de vaacuterias formas de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica aumenta a com-plexidade do sistema e exige a otimizaccedilatildeo do uso de cada uma das fontes Sendonecessaacuterio realizar um controle de todas as fontes para que haja maacutexima eficiecircnciana entrega da energia para os consumidores

Assim como no sistema isolado esse sistema necessita da utilizaccedilatildeo de bateriaspara armazenamento da energia Sendo necessaacuteria a utilizaccedilatildeo de um controladorde carga e inversores Em geral os sistemas hiacutebridos satildeo empregados em sistemasde meacutedio a grande porte destinados a atender um nuacutemero maior de usuaacuterios

30

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 44: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 46 Exemplo de sistema hiacutebrido [38]

483 Sistemas Ligados agrave Rede

Nos sistemas conectados agrave rede eleacutetrica natildeo se faz necessaacuteria a utilizaccedilatildeo debaterias Estes sistemas satildeo compostos por

bull Aerogerador ndash a turbina eoacutelica que gera energia eleacutetrica a partir do vento

bull Sistema de controle ndash sistema composto por retificador e conversor CC-CCpara a extraccedilatildeo da maacutexima potecircncia disponiacutevel e do inversor para a conexatildeoapropriada agrave rede eleacutetrica

A Figura 47 apresenta uma residecircncia com uma turbina eoacutelica que estaacute conec-tada agrave rede eleacutetrica Neste sistema o aerogerador gera energia eleacutetrica e alimentaas cargas da residecircncia Quando a energia gerada eacute insuficiente a rede eleacutetrica com-plementa a geraccedilatildeo No momento em que a energia gerada pela turbina eoacutelica eacutesuperior agrave demanda da residecircncia o excedente eacute injetado na rede eleacutetrica

Figura 47 Configuraccedilatildeo de sistema conectado a rede eleacutetrica [39]

31

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 45: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Capiacutetulo 5

Dimensionamento e Especificaccedilotildees

O dimensionamento do aerogerador leva em consideraccedilatildeo as condiccedilotildees locaisde relevo e estruturas natildeo naturais como construccedilotildees e outras instalaccedilotildees bemcomo as condiccedilotildees geograacuteficas clima iacutendices de vento ocorrecircncias de problemasclimaacuteticos destrutivos e outros de natureza semelhante Tratando-se de produccedilatildeode energia complementar e emergencial o conhecimento da carga a ser suprida ea qualidade do fornecimento de energia pela concessionaacuteria local eacute fundamentalprincipalmente os iacutendices de falhas a capacidade de carga a possibilidade praacuteticade conexatildeo entre a geraccedilatildeo distribuiacuteda e a rede bem como a qualidade da energiadisponibilizada Todos estes aspectos satildeo tratados neste capiacutetulo acompanhadosdo estudo analiacutetico do potencial eoacutelico para determinar o dimensionamento e asespecificaccedilotildees do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto

51 Condiccedilotildees Locais

O Brasil possui diversas regiotildees bastantes atrativas para a instalaccedilatildeo de aeroge-rador conforme podemos observar no mapa eoacutelico do territoacuterio nacional na Figura51 Sendo as regiotildees Nordeste Sul e Sudeste com melhores condiccedilotildees eoacutelicas

32

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

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[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

RelatC3B3rio20Final202015pdfgt Acesso em 30102018

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[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

[10] CRESESB ldquoEnergia Eoacutelica Princiacutepios e Tecnologiardquo Disponiacutevelem lthttpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorialtutorial_eolica_2008_e-bookpdfgt Acesso em 10122018

[11] NETTO A S ESTUDO DE VIABILIDADE DE MICROGERACcedilAtildeO DEENERGIA EOacuteLICA NO CAMPUS DA UTFPR DE GUARAPUAVATese de Mestrado Curitiba 2017

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60

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[51] ENEL ldquoTaxas Tarifas e Impostosrdquo Disponiacutevel em lthttpswwwenelcombrptTarifas_Enelhtmlgt Acesso em 12022019

63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 46: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 51 Potencial Eoacutelico Brasileiro[40]

Dentre as regiotildees propicias para a instalaccedilatildeo de aerogeradores a regiatildeo LesteFluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento destetrabalho por ter excelente potencial eoacutelico e baixa qualidade no fornecimento de ener-gia eleacutetrica pela concessionaacuteria atendendo adequadamente aos objetivos de exem-plificar e auxiliar em estudos de aplicaccedilatildeo de geraccedilatildeo eoacutelica de pequeno porte comofoi justificado inicialmente

Conforme mapa eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura52 e com mais detalhes na Figura 53 a regiatildeo escolhida para realizaccedilatildeo do projetopossui um grande potencial eoacutelico devido aos ventos de velocidade meacutedia anual entre7 e 75 ms ideal para instalaccedilatildeo de aerogeradores

33

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 47: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 52 Mapa Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro [41]

Figura 53 Mapa Eoacutelico da Regiatildeo dos Lagos [41]

A despeito do excelente potencial eoacutelico a regiatildeo Leste Fluminense apresenta

34

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 48: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

baixa qualidade no fornecimento de energia eleacutetrica promovendo a interrupccedilatildeo deenergia em diversas cidades ao longo do ano conforme Figura 54 e 55 No anode 2016 o DEC indicador de Duraccedilatildeo Equivalente de Interrupccedilatildeo por UnidadeConsumidora foi igual a 2712 horas e o FEC indicador de Frequecircncia Equivalentede Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora foi igual a 1478 vezes no ano aqueacutem doexigido pela ANEEL cujos limites de DEC e FEC satildeo respectivamente 13 e 7 Osdados desses indicadores por cidade da regiatildeo podem ser observados na Tabela 51

Os indicadores DEC e FEC satildeo denominados indicadores de conjunto e satildeo uti-lizados na mediccedilatildeo do desempenho das empresas de distribuiccedilatildeo quanto agrave conti-nuidade do serviccedilo prestado de energia eleacutetrica O DEC (Duraccedilatildeo Equivalente deInterrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indica o nuacutemero de horas em meacutedia que umconsumidor fica sem energia eleacutetrica durante um periacuteodo geralmente mensal Jaacuteo FEC (Frequecircncia Equivalente de Interrupccedilatildeo por Unidade Consumidora) indicaquantas vezes em meacutedia houve interrupccedilatildeo na unidade consumidora (residecircnciacomeacutercio induacutestria etc)

Figura 54 Duraccedilatildeo das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense [42]

35

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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[37] SILVEIRA S R Geraccedilatildeo descentralizada de energia atraveacutes de fonte alter-nativa Trabalho de conclusatildeo de curso Universidade Federal do RioGrande do Sul Porto Alegre 2011

[38] CRESESB ldquoComponentes de um sistema fotovoltaicordquo Disponiacute-vel em lthttpwwwcresesbcepelbrindexphpsection=com_contentamplang=ptampcid=341gt Acesso em 10102018

[39] CAPTOVENTO ldquoConfiguraccedilatildeo de um sistema conectado a rede de energiaeleacutetricardquo Disponiacutevel em lthttpwwwcaptoventocombrgt Acessoem 10082018

[40] AMARANTE O C ET AL Atlas do Potencial Eoacutelico Brasileiro - CEPELBrasiacutelia 2001

[41] CRESESB Atlas Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro 2002

[42] FIRJAN ldquoRetrato da Qualidade da Energia no Estadodo Rio de Janeirordquo Disponiacutevel em lthttpswwwfirjancombrpublicacoespublicacoes-de-economia

retrato-da-qualidade-da-energia-no-estado-do-rio-de-janeiro

htmgt Acesso em 06022019

62

[43] WINDFINDER ldquoEstaccedilotildees Meteoroloacutegica Aeroporto Cabo Friordquo Disponiacutevel emlthttpsptwindfindercomwindstatisticscabo_friogt Acessoem 13032019

[44] GOOGLE MAPS ldquoLocalizaccedilatildeo da Pousadardquo Disponiacutevel em lthttpswwwgooglecommapsgt Acesso em 12022019

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[48] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Gerar 246rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos1_40960Gerar246jpggt Acesso em12022019

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[51] ENEL ldquoTaxas Tarifas e Impostosrdquo Disponiacutevel em lthttpswwwenelcombrptTarifas_Enelhtmlgt Acesso em 12022019

63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 49: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 55 Frequecircncia das interrupccedilotildees na Regiatildeo Leste Fluminense[42]

Tabela 51 Duraccedilatildeo e frequecircncia das interrupccedilotildees por municiacutepios (DECe FEC)[42]

Regiatildeo Municiacutepio DEC FECLeste Niteroacutei 1683 982Leste Satildeo Gonccedilalo 1796 1069Leste Itaboraiacute 1942 1144Leste Armaccedilatildeo dos Buacutezios 2082 1219Leste Tanguaacute 2220 1226Leste Arraial do Cabo 2267 1670Leste Maricaacute 2508 1277Leste Rio das Ostras 2572 1289Leste Satildeo Pedro da Aldeia 2618 1604Leste Iguaba Grande 2938 1616Leste Cabo Frio 2981 1662Leste Araruama 2982 1715Leste Saquarema 3261 1840Leste Casimiro de Abreu 3526 1669Leste Rio Bonito 3600 1702Leste Silva Jardim 4410 1965

O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades dapousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia eleacutetricada regiatildeo utilizando as condiccedilotildees favoraacuteveis do local em energia eoacutelica limpa e

36

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 50: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

renovaacutevel

52 Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas

A avaliaccedilatildeo do potencial eoacutelico de determinada regiatildeo deve ser realizada diante deobservaccedilotildees diaacuterias da velocidade do vento Para realizaccedilatildeo deste trabalho foramutilizados os dados do vento da estaccedilatildeo meteoroloacutegica do aeroporto da cidade deCabo Frio Regiatildeo dos Lagos do Rio de Janeiro disponibilizado pelo WINDFINDER[43] Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relaccedilatildeo ao solo

O graacutefico da Figura 56 apresenta as meacutedias mensais de velocidades dos ventosem 10 metros de altura observado na regiatildeo

Figura 56 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios Elaboraccedilatildeo Proacutepria [43]

53 Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacute-

tico

Os dados registrados no graacutefico da Figura 56 foram compilados para a Tabela52

Para a utilizaccedilatildeo das informaccedilotildees registradas eacute necessaacuterio se considerar um perfilde distribuiccedilatildeo dos ventos a fim de analisar o perfil de geraccedilatildeo possiacutevel de ser obtidoSendo assim foi utilizado a Distribuiccedilatildeo de Weibull descrita no Capiacutetulo 4 que eacuteamplamente utilizada no estudo das velocidades de vento

A partir dos dados obtidos e do mapa eoacutelico do rio de janeiro foi possiacutevel traccedilar

37

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

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[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

RelatC3B3rio20Final202015pdfgt Acesso em 30102018

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[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

[10] CRESESB ldquoEnergia Eoacutelica Princiacutepios e Tecnologiardquo Disponiacutevelem lthttpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorialtutorial_eolica_2008_e-bookpdfgt Acesso em 10122018

[11] NETTO A S ESTUDO DE VIABILIDADE DE MICROGERACcedilAtildeO DEENERGIA EOacuteLICA NO CAMPUS DA UTFPR DE GUARAPUAVATese de Mestrado Curitiba 2017

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60

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 51: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

o perfil de distribuiccedilatildeo dos ventos da regiatildeo e obter o graacutefico da Figura 57

Tabela 52 Meacutedia Mensal de Ventos Meacutedios

MecircsMeacutedia Mensal de

Ventos Meacutedios (ms)Janeiro 617Fevereiro 617Marccedilo 514Abril 463Maio 720Junho 463Julho 514Agosto 566Setembro 669Outubro 617Novembro 566Dezembro 617

Figura 57 Distribuiccedilatildeo de Weibull Elaboraccedilatildeo Proacutepria

38

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 52: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

54 Informaccedilotildees Geograacuteficas

Aleacutem de informaccedilotildees a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano eacutenecessaacuterio definir as informaccedilotildees sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogeradorem questatildeo O local determinado eacute uma aacuterea de campo aberto o que favorece ainstalaccedilatildeo do aerogerador no local como se verifica nas Figuras 58 e 59

Figura 58 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

Figura 59 Localizaccedilatildeo da Pousada [44]

39

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 53: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

No mapa topograacutefico da regiatildeo apresentado na Figura 510 eacute possiacutevel verificarque a pousada fica a uma altitude de 64m e eacute cercada por aacutereas de menor altitudeo que beneficia na incidecircncia de ventos

Figura 510 Mapa Topograacutefico da Cidade de Arraial do Cabo [45]

Na Figura 511 eacute apresentado o local designado para instalaccedilatildeo do aerogerador

40

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 54: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 511 Local Designado para Instalaccedilatildeo do Aerogerador [44]

55 Consumo de Energia Eleacutetrica

A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo possui 6 suiacutetes (quarto ebanheiro) cozinha sala de jantar recepccedilatildeo garagem lavanderia e aacuterea externaPara analisar o consumo de energia eleacutetrica do estabelecimento eacute necessaacuterio levantaras cargas instaladas como descrito na Tabela 53

41

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 55: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Tabela 53 Lista de Cargas da Pousada

Ambiente DescriccedilatildeoCarga

UtilizadaPotecircncia(W)

UsoDiaacuterio

ConsumoMensal

(KWhmecircs)Recepccedilatildeo Telefone 1 10 24 72Recepccedilatildeo Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Recepccedilatildeo Televisatildeo LED 46 1 160 6 288Recepccedilatildeo Ar Condicionado 1 950 6 171Recepccedilatildeo Desktop 1 300 4 36Dormitoacuterios Ar Condicionado 4 950 6 684Dormitoacuterios Televisatildeo LED 32 4 95 4 456Dormitoacuterios Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Dormitoacuterios Frigobar 4 90 6 2592Banheiro Iluminaccedilatildeo 5 24 5 18Banheiro Chuveiro Eleacutetrico 4 5500 07 440Lavanderia Maacutequina de Lavar 1 1000 3 90Lavanderia Ferro de passar 1 1000 08 25Lavanderia Iluminaccedilatildeo 1 24 5 36Cozinha Geladeira 1 135 6 972Cozinha Freezer 1 150 6 36Cozinha Exaustor 1 170 6 306Cozinha Lava Louccedila 1 1400 07 28Cozinha Cafeteira 1 600 03 6Cozinha Liquidificador 1 350 4 42Cozinha Microondas 1 1400 4 168Cozinha Iluminaccedilatildeo 2 24 5 72Garagem Iluminaccedilatildeo 4 24 5 144Aacuterea Externa Bomba de aacutegua 1 750 1 225Aacuterea Externa Cortador de Grama 1 1300 1 39Aacuterea Externa Luminaacuteria 2 24 5 72

Sendo assim o consumo mensal estimado da pousada eacute igual a 23389 kWhmecircs

Nas Tabelas 54 55 56 e 57 e no graacutefico da Figura 512 pode ser observada adistribuiccedilatildeo desse consumo de energia ao longo do dia

42

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

[1] NEXO ldquoPrincipal fonte de energia dos paiacutesesrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20180327HidrelC3A9tricas-carvC3A3o-petrC3B3leo-como-cada-paC3

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[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 56: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Tabela 54 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (14)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

0000 a 0100

Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0100 a 0200Telefone 1 10Ar Condicionado 5 950

0200 a 0300Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0300 a 0400Telefone 1 10Ar Condicionado 4 950

0400 a 0500 Telefone 1 10

0500 a 0600 Telefone 1 10

0600 a 0700Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135

0700 a 0800

Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Bomba de aacutegua 1 750Cortador de Grama 1 1300Cafeteira 1 600

0800 a 0900Telefone 1 10Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

0900 a 1000Telefone 1 10Maacutequina de Lavar 1 1000

1000 a 1100

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Lava Louccedila 1 1400Maacutequina de Lavar 1 1000

43

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 57: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Tabela 55 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (24)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1100 a 1200Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300

1200 a 1300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Desktop 1 300Freezer 1 150

1300 a 1400

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Freezer 1 150Exaustor 1 170Liquidificador 1 350Microondas 1 1400

1400 a 1500

Telefone 1 10Frigobar 4 90Geladeira 1 135Exaustor 1 170

1500 a 1600

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Lava Louccedila 1 1400Desktop 1 300

1600 a 1700

Telefone 1 10Freezer 1 150Exaustor 1 170Desktop 1 300Ferro de Passar 1 1000Maquina de Lavar 1 1000

1700 a 1800

Telefone 1 10Maquina de Lavar 1 1000Chuveiro Eleacutetrico 2 5500Exaustor 1 170

44

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 58: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Tabela 56 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (34)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

1800 a 1900

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Freezer 1 150Exaustor 1 170Televisatildeo LED 46 1 160Liquidificador 1 350Microondas 1 1400Chuveiro Eleacutetrico 2 5500

1900 a 2000

Telefone 1 10Freezer 1 150Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950

2000 a 2100

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2100 a 2200

Telefone 1 10Frigobar 1 360Geladeira 1 135Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

2200 a 2300

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

45

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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61

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 59: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Tabela 57 Distribuiccedilatildeo do Consumo de Energia diaacuterio (44)

Horaacuteriode Funcionamento

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

2300 a 0000

Telefone 1 10Televisatildeo LED 46 1 160Iluminaccedilatildeo 23 24Ar Condicionado 5 950Televisatildeo LED 32 4 95

Figura 512 Distribuiccedilatildeo do consumo de energia diaacuterio

O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia agrave noitepois eacute o periacuteodo de maior demanda de energia eleacutetrica e dos momentos em que suafalta causa maior desconforto aos hoacutespedes e funcionaacuterios A energia eleacutetrica agrave noiteajuda a iluminar propicia a realizaccedilatildeo com seguranccedila e conforto das atividades detrabalho lazer de higiene e sauacutede aleacutem de proporcionar maior seguranccedila

Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada principalmente agrave noitepara garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede foi necessaacuterioverificar a potecircncia instalada de cargas utilizadas agrave noite e selecionar as cargasessenciais para o funcionamento da pousada A lista dessas cargas pode ser verificadana Tabela 58

46

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 60: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Tabela 58 Cargas acionadas agrave noite

Tipo de Carga QuantidadePotecircncia(W)

Consumo Diaacuterio(Wh)

Telefone 1 10 50Frigobar 4 90 360Geladeira 1 135 135Televisatildeo LED 46 1 160 800Iluminaccedilatildeo 23 24 2760Televisatildeo LED 32 4 95 1520Total 34 1597 5625

Sendo assim o consumo diaacuterio noturno estimado da pousada eacute igual a 5625 Wh

Na Tabela 59 consta um resumo das informaccedilotildees da pousada como potecircnciainstalada consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46]que seratildeo utilizados posteriormente

Tabela 59 Resumo do Consumo de Energia Eleacutetrica da Pousada

Potencia TotalInstalada

(W)

ConsumoMensal

(kWhmecircs)

ConsumoAnual

(kWhano)

Tarifa(R$kWh)

CustoEstimadoMensal

50133 233890 2806680 R$062 R$145622

56 Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico

Cada aerogerador possui suas particularidades seja no formato estilo de eixomelhor local para instalaccedilatildeo desempenho segundo o regime de ventos dentre outrosNesse contexto eacute importante verificar qual o desempenho em termos econocircmicosdo aerogerador Assim sendo alguns aerogeradores produzidos por uma empresabrasileira chamada Enersud foram analisados os quais possuem seus dados na iacuten-tegra presentes no ANEXO A ndash Folder comercial de Aerogeradores da Enersud Aseguir satildeo apresentados 4 destes aerogeradores

bull Notus 138

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 510 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 513

47

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 61: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Tabela 510 Dados Gerais aerogerador Notus 138 [47]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 350 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

Figura 513 Curva de Potecircncia do aerogerador Notus 138 [47]

bull Gerar 246

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 511 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 514

Tabela 511 Dados Gerais aerogerador Gerar 246 [48]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 1000 WVelocidade Nominal 125 msVelocidade de Partida 20 ms

48

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 62: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 514 Curva de Potecircncia do aerogerador Gerar 246 [48]

bull Razec 266

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 512 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 515

Tabela 512 Dados Gerais aerogerador Razec 266 [49]

Dados GeraisTipo de Turbina VAWTPotecircncia Nominal 1500 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 25 ms

49

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 63: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 515 Curva de Potecircncia do aerogerador Razec 266 [49]

bull Verne 555

Seguem alguns dados teacutecnicos na Tabela 513 com a curva de potecircncia doaerogerador sendo representada na Figura 516

Tabela 513 Dados Gerais aerogerador Verne 555 [50]

Dados GeraisTipo de Turbina HAWTPotecircncia Nominal 6000 WVelocidade Nominal 12 msVelocidade de Partida 22 ms

50

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 64: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura 516 Curva de Potecircncia do aerogerador Verne 555 [50]

57 Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores

A partir dos valores fornecidos nas curvas de potecircncia dos aerogeradores analisa-dos necessitou-se uma correccedilatildeo dos valores de kWhmecircs para Watts bastando quese faccedila como se segue na Equaccedilatildeo 51 e Equaccedilatildeo 52

ValorWatts =Valor kWh

mecircs24times301000

(51)

ValorWatts =Valor kWh

mecircs

0 72(52)

Apoacutes correccedilatildeo dos valores foram feitas simulaccedilotildees com aerogeradores para aescolha do mais apropriado Atraveacutes das potecircncias foram calculadas a energiameacutedia gerada pelo aerogerador em um ano dentro dos intervalos em questatildeo erealizou-se uma soma dos produtos de Potecircncia por Horas Anuais determinando-sequanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo agraves condiccedilotildees eoacutelicasda regiatildeo determinada

Na Tabela 514 eacute possiacutevel constatar as horas anuais de cada velocidade distribuiacute-

51

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

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passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

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Referecircncias Bibliograacuteficas

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 65: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

das ao longo do ano

Tabela 514 Distribuiccedilatildeo das velocidades do vento em 2018

Velocidade (ms) Horas Anuais1 5082 9283 11994 12985 12406 10717 8488 6199 41910 26411 15512 8513 4414 21

Total 8699

Com a distribuiccedilatildeo das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial doCabo foi possiacutevel simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros dealtura conforme observado na Tabela 515

52

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

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Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

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passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

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Referecircncias Bibliograacuteficas

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[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

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[4] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2017rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-46topico-82

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 66: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Tabela 515 Energia Anual Gerada por Aerogerador

AerogeradorNotus138

Gerar246

Razec266

Verne555

PotenciaNominal (W)

500 1000 1500 6000

Velocidade

(ms)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

EnergiaAnual(kWh)

1 - - - -

2 - - - -

3 - - - -

4 - - 5589 -

5 2239 9644 11367 64067

6 3570 14429 17106 92820

7 4593 16724 20493 107884

8 4643 15905 20203 104628

9 3899 12745 16935 86884

10 2823 8910 12283 63287

11 1808 5619 7901 40967

12 552 3117 4569 23894TotalAnual

24127 87093 116446 584432

Com os resultados obteve-se dois paracircmetros para a anaacutelise de comparaccedilatildeo entreprodutos Razatildeo de Geraccedilatildeo na Tabela 516 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela517 A Razatildeo de Geraccedilatildeo representa a quantidade de horas efetivas de geraccedilatildeo deenergia na potecircncia nominal do gerador sendo proporcional ao rendimento do aero-gerador O Fator de Capacidade (FC) eacute apenas uma divisatildeo da Razatildeo de Geraccedilatildeopela quantidade de horas em um ano (por um padratildeo de um ano com 365 dias de24 horas tal valor corresponde a 8760 horas)

Tabela 516 Razatildeo de Geraccedilatildeo por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Razatildeo de Geraccedilatildeo(kWhkWinstalado)

48255 87093 77630 97405

53

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

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passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

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63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 67: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Tabela 517 Fator de Capacidade por Aerogerador

Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555Fator de

Capacidade (FC)6 10 9 11

Como todos os aerogeradores selecionados para anaacutelise possuem velocidade departida baixa entre 20 ms e 25 ms eacute necessaacuterio verificar a energia produzidanas condiccedilotildees climaacuteticas da regiatildeo como foi realizado na Tabela 515

Diante dos resultados obtidos na tabela 515 516 e 517 eacute possiacutevel verificar queapesar do vento na regiatildeo natildeo ser o ideal com velocidade meacutedia de 58 ms oaerogerador Verne 555 eacute o mais adequado tecnicamente uma vez que eacute capaz desuprir 50 da carga acionada agrave noite e 25 do consumo de energia anual estimado

58 Viabilidade Econocircmica

Antes de adentrarmos a anaacutelise econocircmica dos aerogeradores eacute fundamental ainformaccedilatildeo do custo de cada equipamento Diante disso na Tabela 518 estaacute descritoo valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessaacuterios para a instalaccedilatildeo domesmo O sistema eoacutelico da pousada seraacute composto por um conjunto de turbinasque iraacute alimentar a carga eleacutetrica do sistema e carregar o banco de baterias nosmomentos em que haacute sobra de energia O banco de baterias seraacute responsaacutevel poratender a carga nos momentos em que natildeo haacute geraccedilatildeo ou em que a velocidade dovento natildeo eacute suficiente para atender a demanda de energia Para suprir a carganoturna listada na Tabela 58 seraacute necessaacuteria a instalaccedilatildeo de 4 baterias de 120 AhDessa forma tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhorcusto-benefiacutecio da instalaccedilatildeo

Tabela 518 Custo dos Equipamentos

Verne555

InversorXantrex

Xpower5000

Controla-dor deCargaMPPTEpever

TRIRON

BateriaGetPower120Ah

Quantidade 1 1 1 4Valor do

EquipamentoR$2950000 R$569900 R$76900 R$ 147990

54

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 68: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Tambeacutem foram levados em consideraccedilatildeo os custos para uma torre de 12 mconforme Tabela 519

Tabela 519 Valores de Equipamento para instalaccedilatildeo

Kit Torre R$ 90000Tubo Din 2440-3rdquo R$ 80000Outros R$ 50000Frete R$ 30000

O valor de custo para o aerogerador equipamentos instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo satildeoapresentados na Tabela 520 onde o custo da instalaccedilatildeo estaacute sendo considerado em40 dos ativos

Tabela 520 Custo dos Equipamentos

Tipo Aerogerador Equipamentos Instalaccedilatildeo TotalVidaUacutetil(ano)

Verne555

R$ 2950000 R$ 1488760 R$ 1775504 R$ 6214264 20

Com as informaccedilotildees do valor dos equipamentos e energia gerada foi possiacutevelcalcular que o custo de cada kWh gerado pelo mesmo eacute igual a R$ 698

Um fator crucial em uma anaacutelise de viabilidade eacute o tempo de retorno do in-vestimento Sendo assim seraacute efetuada uma anaacutelise relativa ao tempo maacuteximo deretorno pretendido

Realizaremos o caacutelculo de payback que eacute o periacuteodo de tempo que leva para oinvestidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto Conforme umalimitante de 10 anos para retorno o que corresponde a apenas 50 da vida uacutetil dogerador (20 anos segundo o folder presente no Anexo A) Com esse intervalo pode-sedeterminar o valor maacuteximo por aerogerador

O caacutelculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia eleacutetricano periacuteodo mencionado com a instalaccedilatildeo de uma unidade do aerogerador escolhidoadotando um reajuste do valor baseado na meacutedia dos reajustes anteriores entre 2013e 2018 segundo a paacutegina ldquoEfeito meacutedio acumulado das tarifas Distribuidoras GrupoEnelrdquo [51] onde se determina um valor meacutedio de 1164 ao ano de reajuste tarifaacuterioconforme demonstrado na Tabela 521

55

Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

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Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

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Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

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Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
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Tabela 521 Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuterios [51]

Evoluccedilatildeo das revisotildees ou reajustes tarifaacuteriosData do processo

tarifaacuterio2013 2014 2015 2016 2017 2018 Meacutedia

Efeito meacutedio paraconsumidor

1213 264 4219 738 -615 2104 1164

Tomando-se tal valor como base e adotando-se a tarifa convencional que corres-ponde agrave aliacutequota de 062261 R$kWh [51] obteve-se a Tabela 522 com a economiagerada do aerogerador escolhido Verne 555 ao longo dos anos

Tabela 522 Economia de Energia

Aerogerador Verne 555Potecircncia Nominal (W) 6000

Economia Total em 1 ano (R$) R$321236Economia Total em 2 ano (R$) R$679961Economia Total em 3 ano (R$) R$1080549Economia Total em 4 ano (R$) R$1527886Economia Total em 5 ano (R$) R$2027427Economia Total em 6 ano (R$) R$2585264Economia Total em 7 ano (R$) R$3208201Economia Total em 8 ano (R$) R$3903834Economia Total em 9 ano (R$) R$4680648Economia Total em 10 ano (R$) R$5548116Economia Total em 11 ano (R$) R$6516818

Segundo os dados levantados na Tabela 522 a instalaccedilatildeo do sistema eoacutelico napousada alcanccedila o payback em 11 anos

Sendo assim a instalaccedilatildeo do aerogerador Verne 555 eacute viaacutevel economicamenteuma vez que seu payback corresponde a 55 da vida uacutetil do equipamento

56

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

[1] NEXO ldquoPrincipal fonte de energia dos paiacutesesrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20180327HidrelC3A9tricas-carvC3A3o-petrC3B3leo-como-cada-paC3

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[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

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[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

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[4] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2017rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-46topico-82

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[5] ANEEL ldquoResoluccedilatildeo Normativa No 482rdquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrcedocren2012482pdfgt Acesso em 23072018

[6] ASTRASOLAR ldquoGeraccedilatildeo Distribuiacuteda no Brasilrdquo 2017 Disponiacute-vel em lthttpsastrasolarcombrenergia-distribuidageracao-distribuida-no-brasilgt Acesso em 10022019

[7] 50160 C E ldquoVoltage charcteristics of eletricity supplies by public distribuitionnetworksrdquo 2007

[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

[10] CRESESB ldquoEnergia Eoacutelica Princiacutepios e Tecnologiardquo Disponiacutevelem lthttpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorialtutorial_eolica_2008_e-bookpdfgt Acesso em 10122018

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[13] TRAJANO R C BARROS V C D A Estudo Preliminar de Implantaccedilatildeo deParque Eoacutelico Trabalho de conclusatildeo de curso Universidade de BrasiacuteliaBrasiacutelia 2009

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[16] CBEE ldquoAtlas Eoacutelico da Regiatildeo Nordesterdquo Disponiacutevel em ltwwweolicacombrgt Acesso em 27102018

[17] ANEEL ldquoEnergia Eoacutelicardquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbraplicacoesatlaspdf06-Energia_Eolica(3)pdfgt Acesso em23102018

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60

[19] ANEEL ldquoResoluccedilatildeo Normativa No 697rdquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrcedocren2015687pdfgt Acesso em 23072018

[20] WORDPRESS ldquoAerogerador de Eixo Horizontalrdquo Disponiacutevelem lthttpsevolucaoenergiaeolicawordpresscomaerogerador-de-eixo-horizontalcusto-comparativogt Acessoem 03122018

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[22] WIKIPEDIA Disponiacutevel em lthttpsenwikipediaorgwikiSavonius_wind_turbinegt Acesso em 05112018

[23] ARCHIEXPO ldquoTURBINA EOacuteLICA DE PEQUENO PORTE DE EIXOVERTICALrdquo Disponiacutevel em lthttpwwwarchiexpocomptprodwindsideproduct-88530-1409951htmlgt Acesso em 05102018

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[25] DOS REIS LINEU BEacuteLICO Geraccedilatildeo de Energia Eleacutetrica v 2a Ediccedilatildeo Ba-rueri SP 2011

[26] ARCHIEXPO ldquoTurbina Eoacutelica Horizontalrdquo Disponiacutevel em lthttpwwwarchiexpocomptprodalstomproduct-88574-968350htmlgtAcesso em 28102018

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[29] SKYWING WIND TURBINE ldquoVAWTndash300W Wind Turbinerdquo Dis-poniacutevel em lthttpww1solar-airconditionercomsub1=d163f32a-324e-11e9-88f4-ff00e6f7a854gt Acesso em 06022019

[30] WINDSIDE ldquoWS-015 Rangerdquo Disponiacutevel em lthttpwwwwindsidecomproductsws0_15gt Acesso em 08022019

[31] VERTICAL WIND TURBINE ldquoFalcon 600Wrdquo Disponiacute-vel em lthttpwwwgogreensolarcomproductswepower-falcon-600w-off-grid-vertical-axiswind-turbinegtAcesso em 06022019

61

[32] RAGHEB M ldquoOptimal Rotor Tip Speed Ratiordquo 2014 Dis-poniacutevel em lthttpmraghebcomNPRE2047520Wind20Power20SystemsOptimal20Rotor20Tip20Speed20Ratiopdfgt Acessoem 05112018

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62

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[47] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Notus 138rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos14_167936Notus138jpggt Acessoem 12022019

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[49] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Razec 266rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos15_40960Razec266jpggt Acessoem 12022019

[50] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Verne 555rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos16_131072Verne555jpggt Acessoem 12022019

[51] ENEL ldquoTaxas Tarifas e Impostosrdquo Disponiacutevel em lthttpswwwenelcombrptTarifas_Enelhtmlgt Acesso em 12022019

63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 70: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Capiacutetulo 6

Conclusatildeo

No presente trabalho foi realizada uma revisatildeo teacutecnica e teoacuterica que apresentouos tipos de aerogeradores o potencial eoacutelico brasileiro e os fatores relevantes pararealizaccedilatildeo do dimensionamento de um aerogerador para a pousada Recanto doMarlocalizada em Arraial do Cabo

A metodologia se baseou na anaacutelise das condiccedilotildees de relevo climaacuteticas e perfilde ventos da regiatildeo para determinar qual turbina teria um desempenho aceitaacutevelpara a velocidade meacutedia de 58 ms Para isso foi simulada a quantidade de energiaproduzida por cada aerogerador no perfil de vento da regiatildeo ao longo de um anoDiante dessa simulaccedilatildeo conclui-se que eacute viaacutevel a instalaccedilatildeo de aerogeradores depequeno porte apesar da meacutedia dos ventos entre 5 e 6 ms ainda ser consideradabaixa para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Dessa forma o projeto se mostrou tecnicamente viaacutevel e capaz de entregar aenergia necessaacuteria para suprir parcialmente a carga da pousada principalmente anoite conforme apresentado considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho

Para facilidade de aquisiccedilatildeo dos equipamentos dimensionados nesse projeto foiescolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou maisconfianccedila para a elaboraccedilatildeo do projeto

O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$6214264 sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos para umreajuste do valor da tarifa baseado na meacutedia dos reajustes anteriores O tempo deretorno corresponde assim a 55 da vida uacutetil dos equipamentos tendo em vista queo sistema eoacutelico instalado promete durabilidade de 20 anos

A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definiccedilatildeo do consumo dapousada uma vez que esse oscila de acordo com a ocupaccedilatildeo da mesma Para ultra-

57

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

[1] NEXO ldquoPrincipal fonte de energia dos paiacutesesrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20180327HidrelC3A9tricas-carvC3A3o-petrC3B3leo-como-cada-paC3

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[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

RelatC3B3rio20Final202015pdfgt Acesso em 30102018

[4] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2017rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-46topico-82

Relatorio_Final_BEN_2017pdfgt Acesso em 30092018

[5] ANEEL ldquoResoluccedilatildeo Normativa No 482rdquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrcedocren2012482pdfgt Acesso em 23072018

[6] ASTRASOLAR ldquoGeraccedilatildeo Distribuiacuteda no Brasilrdquo 2017 Disponiacute-vel em lthttpsastrasolarcombrenergia-distribuidageracao-distribuida-no-brasilgt Acesso em 10022019

[7] 50160 C E ldquoVoltage charcteristics of eletricity supplies by public distribuitionnetworksrdquo 2007

[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

[10] CRESESB ldquoEnergia Eoacutelica Princiacutepios e Tecnologiardquo Disponiacutevelem lthttpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorialtutorial_eolica_2008_e-bookpdfgt Acesso em 10122018

[11] NETTO A S ESTUDO DE VIABILIDADE DE MICROGERACcedilAtildeO DEENERGIA EOacuteLICA NO CAMPUS DA UTFPR DE GUARAPUAVATese de Mestrado Curitiba 2017

[12] WIKIPEDIA ldquoCharles Francis Brushrdquo Disponiacutevel em lthttpsptwikipediaorgwikiCharles_Francis_Brushgt Acesso em10082018

[13] TRAJANO R C BARROS V C D A Estudo Preliminar de Implantaccedilatildeo deParque Eoacutelico Trabalho de conclusatildeo de curso Universidade de BrasiacuteliaBrasiacutelia 2009

[14] GWEC ldquoGlobal Wind Report 2017rdquo Disponiacutevel em lthttpsgwecnetwp-contentuploadsvipGWEC_PRstats2017_EN-003_FINALpdfgtAcesso em 01122018

[15] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2018rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertos

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BEN2018__Intpdfgt Acesso em 25062018

[16] CBEE ldquoAtlas Eoacutelico da Regiatildeo Nordesterdquo Disponiacutevel em ltwwweolicacombrgt Acesso em 27102018

[17] ANEEL ldquoEnergia Eoacutelicardquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbraplicacoesatlaspdf06-Energia_Eolica(3)pdfgt Acesso em23102018

[18] SECRETARIA DE ENERGIA E MINERACcedilAtildeO ldquoPotencial eoacute-lico onshore brasileiro pode ser de 880 GW indica estudordquoDisponiacutevel em lthttpwwwenergiaspgovbr201610potencial-eolico-onshore-brasileiro-pode-ser-de-880-gw-indica-estudogtAcesso em 28012019

60

[19] ANEEL ldquoResoluccedilatildeo Normativa No 697rdquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrcedocren2015687pdfgt Acesso em 23072018

[20] WORDPRESS ldquoAerogerador de Eixo Horizontalrdquo Disponiacutevelem lthttpsevolucaoenergiaeolicawordpresscomaerogerador-de-eixo-horizontalcusto-comparativogt Acessoem 03122018

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[22] WIKIPEDIA Disponiacutevel em lthttpsenwikipediaorgwikiSavonius_wind_turbinegt Acesso em 05112018

[23] ARCHIEXPO ldquoTURBINA EOacuteLICA DE PEQUENO PORTE DE EIXOVERTICALrdquo Disponiacutevel em lthttpwwwarchiexpocomptprodwindsideproduct-88530-1409951htmlgt Acesso em 05102018

[24] GHOSH A ET AL Some Aspects of Vertical Axis Wind Turbines (VAWTs)- A Review Tese de Mestrado 2013

[25] DOS REIS LINEU BEacuteLICO Geraccedilatildeo de Energia Eleacutetrica v 2a Ediccedilatildeo Ba-rueri SP 2011

[26] ARCHIEXPO ldquoTurbina Eoacutelica Horizontalrdquo Disponiacutevel em lthttpwwwarchiexpocomptprodalstomproduct-88574-968350htmlgtAcesso em 28102018

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[28] WIND ENERGY ldquoHorizontal Wind Turbinerdquo Disponiacutevel em lthttpwwwwindenergycomgt Acesso em 06022019

[29] SKYWING WIND TURBINE ldquoVAWTndash300W Wind Turbinerdquo Dis-poniacutevel em lthttpww1solar-airconditionercomsub1=d163f32a-324e-11e9-88f4-ff00e6f7a854gt Acesso em 06022019

[30] WINDSIDE ldquoWS-015 Rangerdquo Disponiacutevel em lthttpwwwwindsidecomproductsws0_15gt Acesso em 08022019

[31] VERTICAL WIND TURBINE ldquoFalcon 600Wrdquo Disponiacute-vel em lthttpwwwgogreensolarcomproductswepower-falcon-600w-off-grid-vertical-axiswind-turbinegtAcesso em 06022019

61

[32] RAGHEB M ldquoOptimal Rotor Tip Speed Ratiordquo 2014 Dis-poniacutevel em lthttpmraghebcomNPRE2047520Wind20Power20SystemsOptimal20Rotor20Tip20Speed20Ratiopdfgt Acessoem 05112018

[33] CARVALHO P ldquoGeraccedilatildeo Eoacutelicardquo Imprensa Universitaacuteria p 146 2003

[34] WIND ENERGY ldquoDesign of Wind Turbine Rotorrdquo Disponiacutevel em lthttpwwwgeographynotescomenergy-management-2wind-energy

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[35] GWEC ldquoGlobal Wind Report Annual Market Update 2010rdquo Disponiacutevelem lthttpwwwgwecnetfileadminimagesPublicationsGWEC_annual_market_update_2010_-_2nd_edition_April_2011pdfgtAcesso em 10122018

[36] MANWELL J F M J G R A L Wind Energy Explained Theory Designand Application v 2a Ediccedilatildeo England 2010

[37] SILVEIRA S R Geraccedilatildeo descentralizada de energia atraveacutes de fonte alter-nativa Trabalho de conclusatildeo de curso Universidade Federal do RioGrande do Sul Porto Alegre 2011

[38] CRESESB ldquoComponentes de um sistema fotovoltaicordquo Disponiacute-vel em lthttpwwwcresesbcepelbrindexphpsection=com_contentamplang=ptampcid=341gt Acesso em 10102018

[39] CAPTOVENTO ldquoConfiguraccedilatildeo de um sistema conectado a rede de energiaeleacutetricardquo Disponiacutevel em lthttpwwwcaptoventocombrgt Acessoem 10082018

[40] AMARANTE O C ET AL Atlas do Potencial Eoacutelico Brasileiro - CEPELBrasiacutelia 2001

[41] CRESESB Atlas Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro 2002

[42] FIRJAN ldquoRetrato da Qualidade da Energia no Estadodo Rio de Janeirordquo Disponiacutevel em lthttpswwwfirjancombrpublicacoespublicacoes-de-economia

retrato-da-qualidade-da-energia-no-estado-do-rio-de-janeiro

htmgt Acesso em 06022019

62

[43] WINDFINDER ldquoEstaccedilotildees Meteoroloacutegica Aeroporto Cabo Friordquo Disponiacutevel emlthttpsptwindfindercomwindstatisticscabo_friogt Acessoem 13032019

[44] GOOGLE MAPS ldquoLocalizaccedilatildeo da Pousadardquo Disponiacutevel em lthttpswwwgooglecommapsgt Acesso em 12022019

[45] TOPOGRAFIC MAP ldquoRelevordquo Disponiacutevel em lthttppt-brtopographic-mapcomplacesRelevo-3550473gt Acesso em10022019

[46] ENEL ldquoSimulador de Consumordquo Disponiacutevel em lthttpsenel-rjsimuladordeconsumocombrgt Acesso em 10022019

[47] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Notus 138rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos14_167936Notus138jpggt Acessoem 12022019

[48] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Gerar 246rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos1_40960Gerar246jpggt Acesso em12022019

[49] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Razec 266rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos15_40960Razec266jpggt Acessoem 12022019

[50] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Verne 555rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos16_131072Verne555jpggt Acessoem 12022019

[51] ENEL ldquoTaxas Tarifas e Impostosrdquo Disponiacutevel em lthttpswwwenelcombrptTarifas_Enelhtmlgt Acesso em 12022019

63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 71: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

passar essa dificuldade estimou-se uma meacutedia de ocupaccedilatildeo anual da pousada e comisso uma meacutedia de consumo energeacutetico

O projeto realizado neste trabalho abordou certas aacutereas no entanto seu aprofun-damento atraveacutes da realizaccedilatildeo de estudos mais detalhados podem ser realizados emtrabalhos futuros Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisadosnesse projeto realizar o sistema de controle do ponto de operaccedilatildeo das turbinas e oestudo dos sistemas de freio

Por fim o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propocircs fazer Foi mostradauma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geraccedilatildeo depequeno porte aproveitando as condiccedilotildees climaacuteticas favoraacuteveis no local bem comoa energia eoacutelica no Brasil e no mundo como um modo geral O principal resultadodo projeto junto a necessidade de crescimento tecnoloacutegico nacional ratificam aimportacircncia do estudo

58

Referecircncias Bibliograacuteficas

[1] NEXO ldquoPrincipal fonte de energia dos paiacutesesrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20180327HidrelC3A9tricas-carvC3A3o-petrC3B3leo-como-cada-paC3

ADs-gera-sua-energiagt Acesso em 04122018

[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

RelatC3B3rio20Final202010pdfgt Acesso em 30122018

[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

RelatC3B3rio20Final202015pdfgt Acesso em 30102018

[4] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2017rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-46topico-82

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[5] ANEEL ldquoResoluccedilatildeo Normativa No 482rdquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrcedocren2012482pdfgt Acesso em 23072018

[6] ASTRASOLAR ldquoGeraccedilatildeo Distribuiacuteda no Brasilrdquo 2017 Disponiacute-vel em lthttpsastrasolarcombrenergia-distribuidageracao-distribuida-no-brasilgt Acesso em 10022019

[7] 50160 C E ldquoVoltage charcteristics of eletricity supplies by public distribuitionnetworksrdquo 2007

[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

[10] CRESESB ldquoEnergia Eoacutelica Princiacutepios e Tecnologiardquo Disponiacutevelem lthttpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorialtutorial_eolica_2008_e-bookpdfgt Acesso em 10122018

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[14] GWEC ldquoGlobal Wind Report 2017rdquo Disponiacutevel em lthttpsgwecnetwp-contentuploadsvipGWEC_PRstats2017_EN-003_FINALpdfgtAcesso em 01122018

[15] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2018rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertos

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[16] CBEE ldquoAtlas Eoacutelico da Regiatildeo Nordesterdquo Disponiacutevel em ltwwweolicacombrgt Acesso em 27102018

[17] ANEEL ldquoEnergia Eoacutelicardquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbraplicacoesatlaspdf06-Energia_Eolica(3)pdfgt Acesso em23102018

[18] SECRETARIA DE ENERGIA E MINERACcedilAtildeO ldquoPotencial eoacute-lico onshore brasileiro pode ser de 880 GW indica estudordquoDisponiacutevel em lthttpwwwenergiaspgovbr201610potencial-eolico-onshore-brasileiro-pode-ser-de-880-gw-indica-estudogtAcesso em 28012019

60

[19] ANEEL ldquoResoluccedilatildeo Normativa No 697rdquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrcedocren2015687pdfgt Acesso em 23072018

[20] WORDPRESS ldquoAerogerador de Eixo Horizontalrdquo Disponiacutevelem lthttpsevolucaoenergiaeolicawordpresscomaerogerador-de-eixo-horizontalcusto-comparativogt Acessoem 03122018

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[25] DOS REIS LINEU BEacuteLICO Geraccedilatildeo de Energia Eleacutetrica v 2a Ediccedilatildeo Ba-rueri SP 2011

[26] ARCHIEXPO ldquoTurbina Eoacutelica Horizontalrdquo Disponiacutevel em lthttpwwwarchiexpocomptprodalstomproduct-88574-968350htmlgtAcesso em 28102018

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[28] WIND ENERGY ldquoHorizontal Wind Turbinerdquo Disponiacutevel em lthttpwwwwindenergycomgt Acesso em 06022019

[29] SKYWING WIND TURBINE ldquoVAWTndash300W Wind Turbinerdquo Dis-poniacutevel em lthttpww1solar-airconditionercomsub1=d163f32a-324e-11e9-88f4-ff00e6f7a854gt Acesso em 06022019

[30] WINDSIDE ldquoWS-015 Rangerdquo Disponiacutevel em lthttpwwwwindsidecomproductsws0_15gt Acesso em 08022019

[31] VERTICAL WIND TURBINE ldquoFalcon 600Wrdquo Disponiacute-vel em lthttpwwwgogreensolarcomproductswepower-falcon-600w-off-grid-vertical-axiswind-turbinegtAcesso em 06022019

61

[32] RAGHEB M ldquoOptimal Rotor Tip Speed Ratiordquo 2014 Dis-poniacutevel em lthttpmraghebcomNPRE2047520Wind20Power20SystemsOptimal20Rotor20Tip20Speed20Ratiopdfgt Acessoem 05112018

[33] CARVALHO P ldquoGeraccedilatildeo Eoacutelicardquo Imprensa Universitaacuteria p 146 2003

[34] WIND ENERGY ldquoDesign of Wind Turbine Rotorrdquo Disponiacutevel em lthttpwwwgeographynotescomenergy-management-2wind-energy

design-of-wind-turbine-rotor-with-diagram-wind-energy-energy-management

4281gt Acesso em 05112018

[35] GWEC ldquoGlobal Wind Report Annual Market Update 2010rdquo Disponiacutevelem lthttpwwwgwecnetfileadminimagesPublicationsGWEC_annual_market_update_2010_-_2nd_edition_April_2011pdfgtAcesso em 10122018

[36] MANWELL J F M J G R A L Wind Energy Explained Theory Designand Application v 2a Ediccedilatildeo England 2010

[37] SILVEIRA S R Geraccedilatildeo descentralizada de energia atraveacutes de fonte alter-nativa Trabalho de conclusatildeo de curso Universidade Federal do RioGrande do Sul Porto Alegre 2011

[38] CRESESB ldquoComponentes de um sistema fotovoltaicordquo Disponiacute-vel em lthttpwwwcresesbcepelbrindexphpsection=com_contentamplang=ptampcid=341gt Acesso em 10102018

[39] CAPTOVENTO ldquoConfiguraccedilatildeo de um sistema conectado a rede de energiaeleacutetricardquo Disponiacutevel em lthttpwwwcaptoventocombrgt Acessoem 10082018

[40] AMARANTE O C ET AL Atlas do Potencial Eoacutelico Brasileiro - CEPELBrasiacutelia 2001

[41] CRESESB Atlas Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro 2002

[42] FIRJAN ldquoRetrato da Qualidade da Energia no Estadodo Rio de Janeirordquo Disponiacutevel em lthttpswwwfirjancombrpublicacoespublicacoes-de-economia

retrato-da-qualidade-da-energia-no-estado-do-rio-de-janeiro

htmgt Acesso em 06022019

62

[43] WINDFINDER ldquoEstaccedilotildees Meteoroloacutegica Aeroporto Cabo Friordquo Disponiacutevel emlthttpsptwindfindercomwindstatisticscabo_friogt Acessoem 13032019

[44] GOOGLE MAPS ldquoLocalizaccedilatildeo da Pousadardquo Disponiacutevel em lthttpswwwgooglecommapsgt Acesso em 12022019

[45] TOPOGRAFIC MAP ldquoRelevordquo Disponiacutevel em lthttppt-brtopographic-mapcomplacesRelevo-3550473gt Acesso em10022019

[46] ENEL ldquoSimulador de Consumordquo Disponiacutevel em lthttpsenel-rjsimuladordeconsumocombrgt Acesso em 10022019

[47] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Notus 138rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos14_167936Notus138jpggt Acessoem 12022019

[48] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Gerar 246rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos1_40960Gerar246jpggt Acesso em12022019

[49] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Razec 266rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos15_40960Razec266jpggt Acessoem 12022019

[50] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Verne 555rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos16_131072Verne555jpggt Acessoem 12022019

[51] ENEL ldquoTaxas Tarifas e Impostosrdquo Disponiacutevel em lthttpswwwenelcombrptTarifas_Enelhtmlgt Acesso em 12022019

63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 72: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Referecircncias Bibliograacuteficas

[1] NEXO ldquoPrincipal fonte de energia dos paiacutesesrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20180327HidrelC3A9tricas-carvC3A3o-petrC3B3leo-como-cada-paC3

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[2] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2010rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-133topico-105

RelatC3B3rio20Final202010pdfgt Acesso em 30122018

[3] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2015rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-127topico-97

RelatC3B3rio20Final202015pdfgt Acesso em 30102018

[4] EPE ldquoBalanccedilo Energeacutetico Nacional 2017rdquo Disponiacutevel emlthttpwwwepegovbrsites-ptpublicacoes-dados-abertospublicacoesPublicacoesArquivospublicacao-46topico-82

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[5] ANEEL ldquoResoluccedilatildeo Normativa No 482rdquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrcedocren2012482pdfgt Acesso em 23072018

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[7] 50160 C E ldquoVoltage charcteristics of eletricity supplies by public distribuitionnetworksrdquo 2007

[8] ANEEL ldquoBanco de Informaccedilotildees de Geraccedilatildeordquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrgt Acesso em 12072018

59

[9] NEXO ldquoA trajetoacuteria das tarifas de energia nos uacuteltimos 14 anosrdquo Disponiacutevel emlthttpswwwnexojornalcombrgrafico20171006A-trajetC3B3ria-das-tarifas-de-energia-nos-C3BAltimos-14-anosgtAcesso em 12022019

[10] CRESESB ldquoEnergia Eoacutelica Princiacutepios e Tecnologiardquo Disponiacutevelem lthttpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorialtutorial_eolica_2008_e-bookpdfgt Acesso em 10122018

[11] NETTO A S ESTUDO DE VIABILIDADE DE MICROGERACcedilAtildeO DEENERGIA EOacuteLICA NO CAMPUS DA UTFPR DE GUARAPUAVATese de Mestrado Curitiba 2017

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[16] CBEE ldquoAtlas Eoacutelico da Regiatildeo Nordesterdquo Disponiacutevel em ltwwweolicacombrgt Acesso em 27102018

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[18] SECRETARIA DE ENERGIA E MINERACcedilAtildeO ldquoPotencial eoacute-lico onshore brasileiro pode ser de 880 GW indica estudordquoDisponiacutevel em lthttpwwwenergiaspgovbr201610potencial-eolico-onshore-brasileiro-pode-ser-de-880-gw-indica-estudogtAcesso em 28012019

60

[19] ANEEL ldquoResoluccedilatildeo Normativa No 697rdquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrcedocren2015687pdfgt Acesso em 23072018

[20] WORDPRESS ldquoAerogerador de Eixo Horizontalrdquo Disponiacutevelem lthttpsevolucaoenergiaeolicawordpresscomaerogerador-de-eixo-horizontalcusto-comparativogt Acessoem 03122018

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[22] WIKIPEDIA Disponiacutevel em lthttpsenwikipediaorgwikiSavonius_wind_turbinegt Acesso em 05112018

[23] ARCHIEXPO ldquoTURBINA EOacuteLICA DE PEQUENO PORTE DE EIXOVERTICALrdquo Disponiacutevel em lthttpwwwarchiexpocomptprodwindsideproduct-88530-1409951htmlgt Acesso em 05102018

[24] GHOSH A ET AL Some Aspects of Vertical Axis Wind Turbines (VAWTs)- A Review Tese de Mestrado 2013

[25] DOS REIS LINEU BEacuteLICO Geraccedilatildeo de Energia Eleacutetrica v 2a Ediccedilatildeo Ba-rueri SP 2011

[26] ARCHIEXPO ldquoTurbina Eoacutelica Horizontalrdquo Disponiacutevel em lthttpwwwarchiexpocomptprodalstomproduct-88574-968350htmlgtAcesso em 28102018

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[29] SKYWING WIND TURBINE ldquoVAWTndash300W Wind Turbinerdquo Dis-poniacutevel em lthttpww1solar-airconditionercomsub1=d163f32a-324e-11e9-88f4-ff00e6f7a854gt Acesso em 06022019

[30] WINDSIDE ldquoWS-015 Rangerdquo Disponiacutevel em lthttpwwwwindsidecomproductsws0_15gt Acesso em 08022019

[31] VERTICAL WIND TURBINE ldquoFalcon 600Wrdquo Disponiacute-vel em lthttpwwwgogreensolarcomproductswepower-falcon-600w-off-grid-vertical-axiswind-turbinegtAcesso em 06022019

61

[32] RAGHEB M ldquoOptimal Rotor Tip Speed Ratiordquo 2014 Dis-poniacutevel em lthttpmraghebcomNPRE2047520Wind20Power20SystemsOptimal20Rotor20Tip20Speed20Ratiopdfgt Acessoem 05112018

[33] CARVALHO P ldquoGeraccedilatildeo Eoacutelicardquo Imprensa Universitaacuteria p 146 2003

[34] WIND ENERGY ldquoDesign of Wind Turbine Rotorrdquo Disponiacutevel em lthttpwwwgeographynotescomenergy-management-2wind-energy

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[36] MANWELL J F M J G R A L Wind Energy Explained Theory Designand Application v 2a Ediccedilatildeo England 2010

[37] SILVEIRA S R Geraccedilatildeo descentralizada de energia atraveacutes de fonte alter-nativa Trabalho de conclusatildeo de curso Universidade Federal do RioGrande do Sul Porto Alegre 2011

[38] CRESESB ldquoComponentes de um sistema fotovoltaicordquo Disponiacute-vel em lthttpwwwcresesbcepelbrindexphpsection=com_contentamplang=ptampcid=341gt Acesso em 10102018

[39] CAPTOVENTO ldquoConfiguraccedilatildeo de um sistema conectado a rede de energiaeleacutetricardquo Disponiacutevel em lthttpwwwcaptoventocombrgt Acessoem 10082018

[40] AMARANTE O C ET AL Atlas do Potencial Eoacutelico Brasileiro - CEPELBrasiacutelia 2001

[41] CRESESB Atlas Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro 2002

[42] FIRJAN ldquoRetrato da Qualidade da Energia no Estadodo Rio de Janeirordquo Disponiacutevel em lthttpswwwfirjancombrpublicacoespublicacoes-de-economia

retrato-da-qualidade-da-energia-no-estado-do-rio-de-janeiro

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62

[43] WINDFINDER ldquoEstaccedilotildees Meteoroloacutegica Aeroporto Cabo Friordquo Disponiacutevel emlthttpsptwindfindercomwindstatisticscabo_friogt Acessoem 13032019

[44] GOOGLE MAPS ldquoLocalizaccedilatildeo da Pousadardquo Disponiacutevel em lthttpswwwgooglecommapsgt Acesso em 12022019

[45] TOPOGRAFIC MAP ldquoRelevordquo Disponiacutevel em lthttppt-brtopographic-mapcomplacesRelevo-3550473gt Acesso em10022019

[46] ENEL ldquoSimulador de Consumordquo Disponiacutevel em lthttpsenel-rjsimuladordeconsumocombrgt Acesso em 10022019

[47] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Notus 138rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos14_167936Notus138jpggt Acessoem 12022019

[48] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Gerar 246rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos1_40960Gerar246jpggt Acesso em12022019

[49] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Razec 266rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos15_40960Razec266jpggt Acessoem 12022019

[50] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Verne 555rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos16_131072Verne555jpggt Acessoem 12022019

[51] ENEL ldquoTaxas Tarifas e Impostosrdquo Disponiacutevel em lthttpswwwenelcombrptTarifas_Enelhtmlgt Acesso em 12022019

63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
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[10] CRESESB ldquoEnergia Eoacutelica Princiacutepios e Tecnologiardquo Disponiacutevelem lthttpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorialtutorial_eolica_2008_e-bookpdfgt Acesso em 10122018

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[13] TRAJANO R C BARROS V C D A Estudo Preliminar de Implantaccedilatildeo deParque Eoacutelico Trabalho de conclusatildeo de curso Universidade de BrasiacuteliaBrasiacutelia 2009

[14] GWEC ldquoGlobal Wind Report 2017rdquo Disponiacutevel em lthttpsgwecnetwp-contentuploadsvipGWEC_PRstats2017_EN-003_FINALpdfgtAcesso em 01122018

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[18] SECRETARIA DE ENERGIA E MINERACcedilAtildeO ldquoPotencial eoacute-lico onshore brasileiro pode ser de 880 GW indica estudordquoDisponiacutevel em lthttpwwwenergiaspgovbr201610potencial-eolico-onshore-brasileiro-pode-ser-de-880-gw-indica-estudogtAcesso em 28012019

60

[19] ANEEL ldquoResoluccedilatildeo Normativa No 697rdquo Disponiacutevel em lthttpwww2aneelgovbrcedocren2015687pdfgt Acesso em 23072018

[20] WORDPRESS ldquoAerogerador de Eixo Horizontalrdquo Disponiacutevelem lthttpsevolucaoenergiaeolicawordpresscomaerogerador-de-eixo-horizontalcusto-comparativogt Acessoem 03122018

[21] WIKIPEDIA Disponiacutevel em lthttpenwikipediaorgwikiDarrieus_wind_turbinegt Acesso em 05112018

[22] WIKIPEDIA Disponiacutevel em lthttpsenwikipediaorgwikiSavonius_wind_turbinegt Acesso em 05112018

[23] ARCHIEXPO ldquoTURBINA EOacuteLICA DE PEQUENO PORTE DE EIXOVERTICALrdquo Disponiacutevel em lthttpwwwarchiexpocomptprodwindsideproduct-88530-1409951htmlgt Acesso em 05102018

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[25] DOS REIS LINEU BEacuteLICO Geraccedilatildeo de Energia Eleacutetrica v 2a Ediccedilatildeo Ba-rueri SP 2011

[26] ARCHIEXPO ldquoTurbina Eoacutelica Horizontalrdquo Disponiacutevel em lthttpwwwarchiexpocomptprodalstomproduct-88574-968350htmlgtAcesso em 28102018

[27] SUPERWIND ldquoSuperwind 350rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwsuperwindcomsweindexhtmgt Acesso em 06022019

[28] WIND ENERGY ldquoHorizontal Wind Turbinerdquo Disponiacutevel em lthttpwwwwindenergycomgt Acesso em 06022019

[29] SKYWING WIND TURBINE ldquoVAWTndash300W Wind Turbinerdquo Dis-poniacutevel em lthttpww1solar-airconditionercomsub1=d163f32a-324e-11e9-88f4-ff00e6f7a854gt Acesso em 06022019

[30] WINDSIDE ldquoWS-015 Rangerdquo Disponiacutevel em lthttpwwwwindsidecomproductsws0_15gt Acesso em 08022019

[31] VERTICAL WIND TURBINE ldquoFalcon 600Wrdquo Disponiacute-vel em lthttpwwwgogreensolarcomproductswepower-falcon-600w-off-grid-vertical-axiswind-turbinegtAcesso em 06022019

61

[32] RAGHEB M ldquoOptimal Rotor Tip Speed Ratiordquo 2014 Dis-poniacutevel em lthttpmraghebcomNPRE2047520Wind20Power20SystemsOptimal20Rotor20Tip20Speed20Ratiopdfgt Acessoem 05112018

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[34] WIND ENERGY ldquoDesign of Wind Turbine Rotorrdquo Disponiacutevel em lthttpwwwgeographynotescomenergy-management-2wind-energy

design-of-wind-turbine-rotor-with-diagram-wind-energy-energy-management

4281gt Acesso em 05112018

[35] GWEC ldquoGlobal Wind Report Annual Market Update 2010rdquo Disponiacutevelem lthttpwwwgwecnetfileadminimagesPublicationsGWEC_annual_market_update_2010_-_2nd_edition_April_2011pdfgtAcesso em 10122018

[36] MANWELL J F M J G R A L Wind Energy Explained Theory Designand Application v 2a Ediccedilatildeo England 2010

[37] SILVEIRA S R Geraccedilatildeo descentralizada de energia atraveacutes de fonte alter-nativa Trabalho de conclusatildeo de curso Universidade Federal do RioGrande do Sul Porto Alegre 2011

[38] CRESESB ldquoComponentes de um sistema fotovoltaicordquo Disponiacute-vel em lthttpwwwcresesbcepelbrindexphpsection=com_contentamplang=ptampcid=341gt Acesso em 10102018

[39] CAPTOVENTO ldquoConfiguraccedilatildeo de um sistema conectado a rede de energiaeleacutetricardquo Disponiacutevel em lthttpwwwcaptoventocombrgt Acessoem 10082018

[40] AMARANTE O C ET AL Atlas do Potencial Eoacutelico Brasileiro - CEPELBrasiacutelia 2001

[41] CRESESB Atlas Eoacutelico do Estado do Rio de Janeiro 2002

[42] FIRJAN ldquoRetrato da Qualidade da Energia no Estadodo Rio de Janeirordquo Disponiacutevel em lthttpswwwfirjancombrpublicacoespublicacoes-de-economia

retrato-da-qualidade-da-energia-no-estado-do-rio-de-janeiro

htmgt Acesso em 06022019

62

[43] WINDFINDER ldquoEstaccedilotildees Meteoroloacutegica Aeroporto Cabo Friordquo Disponiacutevel emlthttpsptwindfindercomwindstatisticscabo_friogt Acessoem 13032019

[44] GOOGLE MAPS ldquoLocalizaccedilatildeo da Pousadardquo Disponiacutevel em lthttpswwwgooglecommapsgt Acesso em 12022019

[45] TOPOGRAFIC MAP ldquoRelevordquo Disponiacutevel em lthttppt-brtopographic-mapcomplacesRelevo-3550473gt Acesso em10022019

[46] ENEL ldquoSimulador de Consumordquo Disponiacutevel em lthttpsenel-rjsimuladordeconsumocombrgt Acesso em 10022019

[47] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Notus 138rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos14_167936Notus138jpggt Acessoem 12022019

[48] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Gerar 246rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos1_40960Gerar246jpggt Acesso em12022019

[49] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Razec 266rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos15_40960Razec266jpggt Acessoem 12022019

[50] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Verne 555rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos16_131072Verne555jpggt Acessoem 12022019

[51] ENEL ldquoTaxas Tarifas e Impostosrdquo Disponiacutevel em lthttpswwwenelcombrptTarifas_Enelhtmlgt Acesso em 12022019

63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
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[51] ENEL ldquoTaxas Tarifas e Impostosrdquo Disponiacutevel em lthttpswwwenelcombrptTarifas_Enelhtmlgt Acesso em 12022019

63

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
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[42] FIRJAN ldquoRetrato da Qualidade da Energia no Estadodo Rio de Janeirordquo Disponiacutevel em lthttpswwwfirjancombrpublicacoespublicacoes-de-economia

retrato-da-qualidade-da-energia-no-estado-do-rio-de-janeiro

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62

[43] WINDFINDER ldquoEstaccedilotildees Meteoroloacutegica Aeroporto Cabo Friordquo Disponiacutevel emlthttpsptwindfindercomwindstatisticscabo_friogt Acessoem 13032019

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[45] TOPOGRAFIC MAP ldquoRelevordquo Disponiacutevel em lthttppt-brtopographic-mapcomplacesRelevo-3550473gt Acesso em10022019

[46] ENEL ldquoSimulador de Consumordquo Disponiacutevel em lthttpsenel-rjsimuladordeconsumocombrgt Acesso em 10022019

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[48] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Gerar 246rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos1_40960Gerar246jpggt Acesso em12022019

[49] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Razec 266rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos15_40960Razec266jpggt Acessoem 12022019

[50] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Verne 555rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos16_131072Verne555jpggt Acessoem 12022019

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Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

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  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 76: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

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[45] TOPOGRAFIC MAP ldquoRelevordquo Disponiacutevel em lthttppt-brtopographic-mapcomplacesRelevo-3550473gt Acesso em10022019

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[50] BIOSERVE ldquoCataacutelogo Verne 555rdquo Disponiacutevel em lthttpwwwbioservecombrimgcatalogos16_131072Verne555jpggt Acessoem 12022019

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66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

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  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 77: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Apecircndice A

Cataacutelogo Comercial dosAerogeradores da Enersud

64

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

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  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 78: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura A1 Aerogerador Verne 555 da Enersud [50]

65

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

  • Lista de Figuras
  • Lista de Tabelas
  • Introduccedilatildeo
    • Objetivo
    • Justificativa
    • Metodologia
    • Estrutura do Trabalho
      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 79: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura A2 Aerogerador Notus 138 da Enersud [47]

66

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

67

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

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      • Geraccedilatildeo Eoacutelica
        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
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                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
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                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 80: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura A3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud [48]

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Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

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        • Histoacuterico
        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud
Page 81: AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10028417.pdf · Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir,

Figura A4 Aerogerador Razec 266 da Enersud [49]

68

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    • Objetivo
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        • Cenaacuterio Atual
          • Revisatildeo Teacutecnica
            • Classes de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica
            • Princiacutepio de Funcionamento
            • Componentes do Gerador Eoacutelico
            • Tipos de Turbinas Eoacutelicas
              • Aerogeradores de Pequeno Porte
                  • Revisatildeo Teoacuterica
                    • Potecircncia do Vento
                    • Potecircncia Aproveitaacutevel
                    • Velocidade Especiacutefica
                    • Solidez do Rotor
                    • Fator de Capacidade
                    • Curva de Potecircncia
                    • Distribuiccedilatildeo de Weibull
                    • Aplicaccedilatildeo dos Sistemas Eleacutetricos
                      • Sistemas Isolados
                      • Sistemas Hiacutebridos
                      • Sistemas Ligados agrave Rede
                          • Dimensionamento e Especificaccedilotildees
                            • Condiccedilotildees Locais
                            • Levantamento de informaccedilotildees eoacutelicas
                            • Anaacutelise de informaccedilotildees e tratamento matemaacutetico
                            • Informaccedilotildees Geograacuteficas
                            • Consumo de Energia Eleacutetrica
                            • Anaacutelise de Aerogeradores de Porte Domeacutestico
                            • Comparaccedilatildeo entre Aerogeradores
                            • Viabilidade Econocircmica
                              • Conclusatildeo
                              • Referecircncias Bibliograacuteficas
                              • Cataacutelogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud