dissertação rafael homologacao (1) teste1
DESCRIPTION
MASTER THESIS FROM BRAZIL ABOUT PERFORMANCE OF SMALL WIND TURBINESALL RIGHTS BELONGS TO RAFAEL VALOTTA RODRIGUES. PLEASE ASK AUTHORIZATION IF YOU NEED TO USE SOME DATATRANSCRIPT
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RAFAEL VALOTTA RODRIGUES
SIMULAO DO DESEMPENHO DE
AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE
CAMPINAS
2014
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Agrcola
RAFAEL VALOTTA RODRIGUES
SIMULAO DO DESEMPENHO DE
AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE
Orientador: Prof. Dr. Luiz Antonio Rossi
Dissertao de Mestrado apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia
Agrcola da Faculdade de Engenharia Agrcola da Universidade Estadual de Campinas para
obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Agrcola, na rea de concentrao em Construes
Rurais e Ambincia.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE VERSO FINAL DA
DISSERTAO DEFENDIDA PELO ALUNO RAFAEL VALOTTA
RODRIGUES E ORIENTADO PELO PROF. DR. LUIZ ANTONIO
ROSSI
_____________________________________________________
Assinatura do Orientador
CAMPINAS
2014
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Dedicatria
Esta dissertao dedicada a todos os cientistas e futuros cientistas que pretendem
desvendar os fenmenos fsicos que envolvem a gerao de energia eltrica por fonte elica.
Dedico todos os meus momentos de esforo e trabalho rduo aos que consultarem essa
dissertao no futuro. Dedico essa dissertao tambm s pessoas que, como eu, so fascinadas
pela cincia.
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Agradecimentos
Em primeiro lugar, agradeo ao professor Luiz Antonio Rossi, pela oportunidade
concedida de trabalharmos juntos, quando nos conhecemos em 2010. Agradeo ao
profissionalismo, aos momentos srios e descontrados que vivemos juntos durante esses ltimos
anos.
Agradecimentos empresa CPFL Energia pela oportunidade de participar do programa de
P&D projeto DE0042 como bolsista Mestrando. Em especial, agradecimentos aos Engenheiros
Rafael Moya e Antnio Donadon, funcionrios da CPFL com quem mais convivi nesses anos.
Agradecimentos ao professor Luis Felipe Mendes Moura, pelo apoio nas minhas dvidas
ao longo do Mestrado, principalmente com relao analise do desempenho aerodinmico dos
rotores dos aerogeradores.
Agradecimentos s colegas de trabalho, Juliana e Karina, pela convivncia harmoniosa,
risadas, enfim, pela tima companhia durante esses ltimos dois anos.
Agradeo a Mayra Cadorin Vidal, minha esposa, e pessoa mais importante da minha vida.
No tenho palavras no momento para descrever como a Mayra mudou minha vida. E claro, no
poderia deixar de citar nossa gata, a Matita.
Agradeo aos meus pais, Maria da Penha Valotta Rodriges e Antnio Donisete, por serem
pessoas maravilhosas que me criaram e educaram para a vida. s minhas irms, Camile Valotta
Rodrigues e Mariana Valotta Rodrigues, por fazerem parte dessa famlia maravilhosa.
Agradeo aos inmeros amigos de Campinas. O pessoal do NIPE, IFGW e FEEC.
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Resumo
A participao da energia elica na matriz eltrica brasileira vem aumentando continuamente
desde 2005. A conexo de Aerogeradores de Grande Porte rede eltrica foi permitida aps a
regulamentao do setor elico no Brasil pela ANEEL, culminando com o crescimento contnuo
do setor nos ltimos cinco anos e a consolidao da participao da fonte elica na matriz
eltrica brasileira. O interesse pela utilizao de Aerogeradores de Pequeno Porte no pas
aumentou, posto que sua conexo com a rede eltrica foi regulamentada pela ANEEL atravs da
resoluo 482. Acompanhando a evoluo do uso de aerogeradores, metodologias para
avaliao e simulao do desempenho de aerogeradores foram extensivamente desenvolvidas no
sculo passado. Uma delas o Mtodo do Momento no Elemento de P, um modelo numrico
unidimensional desenvolvido inicialmente por Glauert em 1920, utilizado para aferir o
desempenho aerodinmico do rotor do aerogerador. Neste trabalho, as curva de desempenho de
potncia e curvas adimensionais de desempenho de dois aerogeradores de pequeno porte foram
simuladas teoricamente utilizando o Mtodo do Momento no Elemento de P. Posteriormente, a
aplicao desses aerogeradores na situao de conexo com a rede eltrica ou em um sistema
isolado elico-baterias foi simulada por meio do programa computacional Homer, considerando
trs cidades diferentes: Campinas e Cubato (Brasil/SP) e Roscoe (Estados Unidos / TX). O
aerogerador nacional possui melhor desempenho aerodinmico em baixas rotaes, enquanto
que o importado possui coeficiente de potncia mais alto em altas rotaes. Alm disso, o
aerogerador nacional produz mais energia eltrica para todas as localidades analisadas com
exceo da cidade de Campinas (SP/BR), onde o aerogerador importado obteve melhor
desempenho simulado. Considerando o sistema isolado elico - baterias, a garantia de
suprimento integral carga eltrica simulada s alcanada com um banco de baterias com
muitas unidades e alto nmero de aerogeradores devido intermitncia da fonte elica. O
desempenho aerodinmico do rotor e o custo da energia ($/kWh) dependem fortemente das
caractersticas tcnicas do aerogerador e do recurso elico local.
Palavras-chave: energia elica, gerao de energia eltrica, mtodo do momento no elemento de
p, aerodinmica, Homer.
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Abstract
The use of the wind energy in the Brazilian energy matrix has been increasing since 2005. The
connection of large wind generators to the grid was allowed after the regulation of the wind industry
in Brazil by ANEEL, resulting in the continued growth of the sector over the past five years, and the
consolidation of the use of wind energy in the Brazilian energy matrix. Interest in the use of Small
Wind Turbines (SWT) in the country has grown, since the regulation of its connection to the energy
grid by ANEEL by the 482 resolution. Following the evolution of wind turbine using,
methodologies to evaluation and simulation of wind turbine performance were extensively
developed last century. One of them is the numeric one-dimensional model based on the Blade
Element Moment Method, first developed last century by Glauert to derive aerodynamic
performance of wind turbine rotor. In this research, the power performance curve and non-
dimensional performance curves of two small wind turbines of horizontal axis were evaluated
simulated theoretically using the Blade Element Moment Method. Afterwards, the application of the
wind turbines for on-grid and off-grid systems was simulated using the software Homer,
considering three different cities: Campinas and Cubato (Brazil/SP) and Roscoe (United
States/TX). The national wind turbine has better aerodynamic performance in lower rotations, while
the imported has higher power coefficient in higher rotations. Also, the national wind turbine
produces more electric energy for all locations evaluated excepting for Campinas City (SP/BR),
where the imported wind turbine had better simulated performance. Considering the off-grid wind
batteries system, the full supply can be reached only using a bank battery with many units and
several wind turbines due to the intermittency of the wind energy. The rotor aerodynamic
performance and the cost of energy ($/kWh) depend strongly of the technical characteristics and the
local wind resource.
Keywords: wind energy, electric energy generation, blade element momentum method,
aerodynamics, Home
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LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1a: Evoluo da capacidade elica instalada mundial acumulada nos ltimos 15 anos.
........................................................................................................................................................ 5
Figura 2.1b: Evoluo da capacidade elica instalada mundial anual nos ltimos 15 anos. ....... 5
Figura 2.2: Evoluo da Capacidade Instalada (C.I.) elica total acumulada no Brasil. ............. 6
Figura 2.3: Componentes de um aerogerador de pequeno porte. ................................................. 7
Figura 2.4: Regies tpicas de operao para aerogeradores. ....................................................... 9
Figura 2.5: Curva de desempenho adimensional Cp-. .............................................................. 12
Figura 2.6: Dados brutos de desempenho de potncia, sem tratamento estatstico. ................... 13
Figura 2.7: Modelo de disco atuador. ......................................................................................... 14
Figura 2.8: Nomenclatura de aeroflios e foras e momentos em uma seo de aeroflio........ 18
Figura 2.9: Exemplo da funo de densidade de probabilidade de Weibull para Vm=6m/s...... 20
Figura 2.10: Diagrama eltrico de um sistema isolado elico com baterias. ............................. 22
Figura 2.11: Diagrama eltrico de um sistema elico conectado rede eltrica. ....................... 23
Figura 3.1: Geometria de uma p de aerogerador de eixo horizontal. ....................................... 27
Figura 3.2: Esquema dos elementos de p. ................................................................................. 29
Figura 3.3: Ajuste polinominal de quinta ordem para os coeficientes de sustentao e arrasto do
perfil de aeroflio do APP importado NACA4415. .................................................................... 31
Figura 3.4: Caracterizao dos perfis de aeroflios do aerogerador nacional. ........................... 32
Figura 3.5: Carga eltrica de uma comunidade isolada no estado do Par /BR, utilizada neste
trabalho para realizar a simulao. .............................................................................................. 36
Figura 3.6: Simulao do Diagramas de Weibull. ...................................................................... 38
Figura 4.1: Simulao do aerogerador NREL phase II, com aeroflio S802. ............................ 42
Figura 4.2: Coeficiente de Potncia Cp em funo da Razo de Velocidades de Perifrica para aerogerador importado. ................................................................................................................ 43
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Figura 4.3: Coeficiente de Potncia Cp pela Razo de Velocidades Perifricas para aerogerador nacional. ................................................................................................................... 44
Figura 4.4: Curva de potncia em funo da velocidade da corrente livre de vento e da razo de
velocidades perifricas para aerogerador importado. .................................................................. 45
Figura 4.5: Curva de potncia em funo da velocidade da corrente livre de vento e da rotao
do aerogerador importado. ........................................................................................................... 46
Figura 4.6: Curva de potncia em funo da velocidade da corrente livre de vento e da rotao
do aerogerador nacional. .............................................................................................................. 47
Figura 4.7: Curva de potncia em funo da velocidade da corrente livre de vento e da rotao
do aerogerador nacional. .............................................................................................................. 47
Figura 4.8: Distribuio do nmero de Reynolds nas ps do aerogerador importado, para RVP=4
e V=6m.s-1. .................................................................................................................................. 48
Figura 4.9: Distribuio do coeficiente de induo axial nas ps do aerogerador importado, para
RVP=4 e V=6m.s-1. .................................................................................................................... 49
Figura 4.10: Distribuio do coeficiente de induo tangencial nas ps do aerogerador
importado, para RVP=4 e V=6m.s-1. .......................................................................................... 49
Figura 4.11: Distribuio do nmero de Reynolds nas ps do aerogerador nacional, para RVP=3
e V=4 m.s-1. ................................................................................................................................. 50
Figura 4.12: Distribuio do coeficiente de induo axial nas ps do aerogerador nacional, para
RVP=3 e V=4m.s-1. .................................................................................................................... 51
Figura 4.13: Distribuio do coeficiente de induo tangencial nas ps do aerogerador nacional,
para RVP=3 e V=4m.s-1. ............................................................................................................. 52
Figura 4.14: Influncia da correo de Prandtl na curva adimensional Cp- para o aerogerador importado. .................................................................................................................................... 53
Figura 4.15: Influncia da correo de Prandtl na curva adimensional Cp- para o aerogerador nacional. ....................................................................................................................................... 53
Figura 4.16: Diagrama eltrico do sistema elico conectado rede eltrica pblica:
aerogeradores, barramento AC, inversor, rede eltrica pblica e carga eltrica. ......................... 54
Figura 4.17: Diagrama eltrico do sistema isolado elico com baterias. ................................... 58
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Figura 4.18: Comparao do custo presente lquido do sistema isolado elico com baterias e da
opo de extenso da rede pblica. .............................................................................................. 61
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LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1: Caractersticas tcnicas dos aerogeradores. ............................................................. 24
Tabela 3.2: Simulaes de sistemas elicos e hbridos modeladas pelo Homer. ....................... 25
Tabela 3.3: Ajuste polinomial de quinta ordem para os perfis de aeroflio do aerogerador
importado. .................................................................................................................................... 33
Tabela 3.4: Ajuste polinomial de quinta ordem para os perfis de aeroflio do aerogerador
nacional. ....................................................................................................................................... 35
Tabela 4.1: Resultados da simulao da conexo do aerogerador importado rede eltrica
pblica. ......................................................................................................................................... 55
Tabela 4.2: Resultados da simulao da conexo do aerogerador nacional rede eltrica pblica.
...................................................................................................................................................... 55
Tabela 4.3: Resultados da simulao do sistema isolado elico - baterias, aerogerador
importado. .................................................................................................................................... 58
Tabela 4.4: Resultados da simulao do sistema isolado elico - baterias, aerogerador nacional.
...................................................................................................................................................... 59
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LISTA DE ABREVIATURAS / SIGLAS
APP Aerogerador de Pequeno Porte
AGP Aerogerador de Grande Porte
ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica
EWEA European Wind Energy Association
GWEC Global Wind Energy Council
HOMER Hybrid Optimization Model for Eletric Renewables
IEC International Electric Comission
NREL National Renewable Energy Laboratory
MMEP Mtodo do Momento no Elemento de P
RVP Razo de Velocidades de Ponta de P / Perifrica
WWEA World Wind Energy Association
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LISTA DE SMBOLOS
R = raio do rotor [m]
r = raio local da p [m]
Re = nmero de Reynolds [-]
a = coeficiente de induo axial [-]
'a = coeficiente de induo tangencial [-]
B = nmero de ps [-]
V = velocidade da corrente livre do vento [m/s]
RELV = velocidade relativa do vento [-]
= velocidade angular ][ 1s
c = corda do aeroflio [m]
= ngulo de ataque []
= ngulo de toro []
= ngulo de inclinao das ps []
= densidade do ar atmosfrico [kg/m]
= razo de velocidade de ponta de p/perifrica [-]
= ngulo de escoamento []
= Solidez do rotor [-]
LC = coeficiente de sustentao do aeroflio [-]
DC = coeficiente de arrasto do aeroflio [-]
PC = coeficiente de potncia [-]
P = potncia mecnica [W]
GeradorP = potncia eltrica [W]
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SUMRIO
1. INTRODUO ................................................................................................... 1
1.1 Objetivos.......................................................................................................... 2
1.1.1 Objetivo Geral ........................................................................................... 2
1.1.2 Objetivos especficos ................................................................................ 2
2. REVISO DE LITERATURA ........................................................................... 3
2.1 Aerogeradores ................................................................................................. 3
2.1.1 Do moinho de vento ao aerogerador ......................................................... 3
2.1.2 Aerogeradores de pequeno porte ............................................................... 6
2.1.3 Desempenho de aerogeradores ................................................................ 10
2.1.4 Aerodinmica de aerogeradores .............................................................. 13
2.1.5 Caracterizao do recurso elico local .................................................... 19
2.1.6 Aplicaes de aerogeradores de pequeno porte ...................................... 21
3. MATERIAL E MTODOS ................................................................................ 24
3.1 Materiais........................................................................................................ 24
3.1.1 Aerogeradores ......................................................................................... 24
3.1.2 Dados aerodinmicos para o aerogerador importado .............................. 24
3.1.3 Dados fornecidos pelo fabricante do aerogerador nacional .................... 25
3.1.4 Programa computacionais ....................................................................... 25
3.2 Mtodos ......................................................................................................... 26
3.2.1 Simulao do desempenho de potncia .................................................. 26
3.2.2 Simulao da aplicao de aerogeradores ............................................... 36
4. RESULTADOS E DISCUSSO......................................................................... 41
4.1 Simulao do desempenho dos aerogeradores ........................................... 41
4.1.1 Validao do cdigo numrico ............................................................... 41
4.1.2 Simulao das curvas de desempenho adimensionais ............................ 42
4.1.3 Simulao das curvas de potncia eltrica .............................................. 44
4.1.4 Caracterizao das ps ............................................................................ 47
4.1.5 Influncia da correo de Prandtl ............................................................ 52
4.2 Simulaes da aplicao de aerogeradores ................................................ 54
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4.2.1 Aerogeradores conectados rede eltrica (On-grid) .............................. 54
4.2.2 Aerogeradores no conectados rede eltrica pblica (off-grid) ........... 57
5. CONCLUSES .................................................................................................. 61
6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .............................................................. 62
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1. INTRODUO
Desde o ano de 2005, a capacidade instalada de aerogeradores apresentou crescimento
anual contnuo no Brasil, atingindo o valor aproximado de 1500MW em 2012 segundo a
ANEEL. Aps a regulamentao do setor elico pela ANEEL foi permitida a conexo de
Aerogeradores de Grande Porte (AGP) com a rede eltrica local, consolidando a participao da
energia elica na matriz de energia eltrica nacional. A regulamentao tornou o setor elico uma
opo competitiva perante outras fontes de energia, tendo sido realizados grandes leiles de
energia elica nos ltimos cinco anos.
Para Aerogeradores de Pequeno Porte (APP) j est regulamentada a conexo com a rede
eltrica, atravs de legislao iniciada com o marco da resoluo 482 da ANEEL, que estabeleceu
as condies gerais para realizao de microgerao e minigerao distribuda. Em contrapartida,
devido ao recente interesse pela utilizao de APP na matriz eltrica brasileira, encontra-se no
pas a escassez de mecanismos para verificar se o desempenho do produto est de acordo com as
condies fornecida pelos fabricantes. Neste sentido, necessria pesquisa para desenvolver e
aprimorar metodologias que auxiliam a avaliar o desempenho de APP quando instalados em
campo.
A regulamentao da conexo de aerogeradores com a rede eltrica local uma prova da
evoluo que a energia elica vem alcanando no pas nos ltimos anos. Porm, a evoluo no
uso de energia elica mundialmente acompanhada pela necessidade de superar problemas
relacionados ao seu desempenho e eficincia. A realizao de ensaios padronizados visa testar a
qualidade dos aerogeradores em relao a diversos aspectos. Aerogeradores devem ser avaliados
em vrios testes diferentes: durao, segurana e funcionalidade, desempenho de potncia, rudo
acstico e qualidade da energia gerada. O International Eletric Comission (IEC) o principal
rgo de regulamentao dos mais diversos testes existentes para aerogeradores.
O Mtodo do Momento no Elemento de P foi desenvolvido para determinar o desempenho
de potncia aerogeradores. A metodologia foi desenvolvida ao longo do sculo XIX e permite
rpida avaliao das curvas adimensionais de desempenho de um APP. Sendo assim, pode ser
uma ferramenta importante para auxiliar na avaliao dos parmetros operacionais que afetam o
desempenho de um APP na produo de energia eltrica quando instalados em campo.
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Alm disso, a viabilidade tcnica e econmica na aplicao de um APP est diretamente
ligada produo de energia eltrica. O programa computacional Homer (Hybrid Optimization
Model for Eletric Renewable) permite realizar esse clculo de acordo com a localidade de
instalao desejada, porm deve ser alimentado com dados de entrada anemomtricos. Homer
permite tambm a anlise da integrao de aerogeradores com outras fontes de energia,
permitindo verificar se h viabilidade tcnica e econmica para a aplicao de APP.
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo Geral
Avaliar o desempenho de potncia de dois aerogeradores de pequeno porte de eixo
horizontal, analisando os principais aspectos operacionais que influenciam na eficincia do
processo de produo de energia eltrica.
1.1.2 Objetivos especficos
- Avaliar o desempenho de potncia terico de dois aerogeradores de pequeno porte por
simulao computacional pelo Mtodo do Elemento de P.
- Simular a aplicao de dois aerogeradores de pequeno porte no fornecimento de energia
eltrica.
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2. REVISO DE LITERATURA
2.1 Aerogeradores
2.1.1 Do moinho de vento ao aerogerador
Moinhos de vento e Aerogeradores so nomes utilizados para classificar mquinas elicas.
Os moinhos de vento tm sido utilizados por sculos para captar a potncia dos ventos naturais. A
primeira referncia histrica conhecida sobre o uso desses equipamentos foi feita por Hero da
Alexandria, o qual acredita-se ter vivido em meados do sculo I D.C. Porm, essa referncia
controversa na medida em que alguns autores suspeitam de que no havia tecnologia suficiente
na Grcia antiga para a construo desses moinhos. Os primeiros indcios aceitos sobre o uso
desses equipamentos datam entre os sculos VIII e X na regio da Prsia, na qual moinhos com
eixo vertical foram utilizados. O uso de moinho de vento comeou a se difundir no norte da
Europa (Inglaterra) entre os sculos X e XII; tratava-se de moinhos com eixo horizontal, movidos
por foras de sustentao, o oposto dos moinhos verticais, movido por foras de arrasto. Esses
equipamentos mais eficientes e com mecanismo de funcionamento mais complexo continuaram a
ser a maior fonte de energia na Europa at a revoluo industrial no sculo XVIII. Neste perodo,
o uso de moinhos de vento entrou em declnio, dado que, comparativamente, o carvo
apresentava muitas vantagens (SPERA, 2009; MANWELL, 2009).
Apesar desse declnio no uso de moinhos de vento no sculo XVIII, uma nova variao do
moinho de vento comeou a ser utilizada largamente nos Estados Unidos. Vrios modelos de
moinho de vento cujo eixo ligado s ps era horizontal foram desenvolvidos nos Estados Unidos
entre 1850 e 1950. A principal aplicao foi em fazendas para bombeamento dgua direto e
tambm para acionamento de bombas dgua antes da eletrificao rural (FOX, 2008). Alm
disso, quando geradores eltricos surgiram no final do sculo XIX, alguns cientistas tentaram
integr-los a moinhos de vento. Um exemplo dessa prtica foi o aerogerador nomeado Brush,
considerado a primeira central elica da histria. Esse aerogerador operou de 1888 a 1908 em
Cleveland (Ohio, Estados Unidos), tendo um rotor com 17 metros de dimetro, potncia nominal
de 12 kW DC; altura da torre de 18,3m (SPERA, 2009; MANWELL, 2009; FOX, 1998).
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O advento e desenvolvimento da aviao nas primeiras dcadas do sculo XX deu origem
intensa atividade relacionada anlise e estudos em projetos de dispositivos propelentes que
poderiam ser aplicados a aerogeradores. Um fato notvel foi a introduo em vrios pases de um
novo tipo de aerogerador de alta rotao com duas ou trs ps e um perfil aerodinmico das ps
mais adequado para gerao de energia eltrica. Um modelo bem sucedido de turbina do tipo
propelente, com duas ps e corrente contnua de sada foi o modelo Windcharger. Originalmente
disponvel com potncia nominal variando entre 200 e 1200 W e dimetro do rotor de 1,8 metros
, o modelo Windcharger era bem mais vantajoso economicamente comparado ao modelo
projetado por Jacobs. Foi vendido em grande nmero para energizao de rdios e iluminao em
fazendas e ranchos (SPERA, 2009).
A produo de moinhos norte americanos e aerogeradores alcanou seu auge durante a
primeira guerra mundial, porm o declnio na produo aconteceu devido recesso durante a
grande depresso de 1930 (SPERA, 2009). Nos Estados Unidos, a despeito da crescente
preocupao com questes ambientais, no houve evoluo na produo de aerogeradores at a
crise do petrleo em 1970. Porm, a partir dessa data, o Departamento de Energia dos Estados
Unidos (DOE) comeou a financiar diversos projetos para acelerar o desenvolvimento de
tecnologia elica no pas. A maioria dos recursos foram alocados para o desenvolvimento de
Aerogeradores de Grande Porte, de 100kW a 3,2 MW. As grandes oportunidades de uso
ocorreram como resultado das mudanas na estrutura regulatria da rede eltrica pblica, quando
o governo federal dos Estados Unidos solicitou instalaes que permitissem que aerogeradores
fossem conectados rede eltrica e tambm incentivos financeiros para aqueles que instalassem
aerogeradores. Nesse contexto, a regio da Califrnia foi a que forneceu os melhores incentivos,
uma vez que o regime de ventos local era bastante propcio gerao elica (SPERA, 2009).
Com o passar dos anos, o uso de aerogeradores se difundiu mundialmente. Segundo o
Global Wind Energy Council - GWEC (2012), a capacidade instalada mundial de aerogeradores
chegou prxima a 282 GW em 2012. Essa capacidade cresceu muito nos ltimos anos e tende a
continuar crescendo nos prximos. A GWEC mostrou que de 2002 a 2012 a capacidade elica
instalada mundial acumulada aumentou quase 10 vezes e nos ltimos cinco anos as taxas de
crescimento anual variaram entre aproximadamente 20 e 30% (Figuras 2.1a-b).
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Figura 2.1a- Evoluo da capacidade elica instalada mundial acumulada nos ltimos 15 anos.
Fonte: GWEC (2012).
Figura 2.1b- Evoluo da capacidade elica instalada mundial anual nos ltimos 15 anos.
Fonte: GWEC (2012).
Na Europa, em 2010, a capacidade instalada de aerogeradores dos 27 pases membros
atingiu 84GW, com produo anual de energia de 181,7 TWh (5,3% do total no continente), com
destaque para a Alemanha e a Espanha. A China, alm de possuir a maior capacidade instalada
elica mundial (62GW), tem metas de incentivo a energias renovveis no plano poltico, com
implantao de mais 100 GW de sistemas elicos at 2015. J os EUA chegaram a
aproximadamente 47 GW de capacidade instalada elica em 2011, a segunda maior
mundialmente, com mdia de crescimento anual nos ltimos cinco anos de 33%. Na ndia, foi
alcanada a capacidade instalada elica de 16 GW ao final de 2011, sendo que a capacidade
instalada de fontes renovveis de energia soma 12,1%, da capacidade total, com 70% proveniente
da fonte elica (EWEA, 2011; GWEC, 2011).
No Brasil, o aumento da capacidade instalada (C.I.) de aerogeradores tambm foi
considervel. Em 2012, o valor de aproximadamente 1.894 MW de CI supera em muito o valor
de 27MW registrado em 2005, quando a capacidade instalada comeou a aumentar mais
rapidamente (Figura 2.2). Aps a regulamentao do setor elico e o incio da conexo de
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grandes aerogeradores com a rede eltrica, o setor tornou-se competitivo, atraindo fbricas e
investidores para se instalarem no pas. Segundo a ANEEL (2013b), a produo de eletricidade a
partir de fonte elica alcanou 5050 GWh em 2012, o que representa 86,7% de aumento em
relao a 2011, quando se alcanou 2705GWh. Segundo o GWEC (2012), o plano decenal de
energia do governo brasileiro tem como meta alcanar 16 GW de capacidade instalada elica em
2021, contabilizando 9% do consumo nacional de energia eltrica. Atualmente, a energia eltrica
gerada por meio da fonte elica representa 1,64% na matriz eltrica brasileira, com mais de 2201
MW de capacidade instalada em 108 usinas em operao (ANEEL, 2013a).
Figura 2.2 Evoluo da Capacidade Instalada (C.I.) elica total acumulada no Brasil. Fonte: Adaptado de ANEEL: Balano Energtico Nacional 2013.
2.1.2 Aerogeradores de pequeno porte
A International Eletric Comission (IEC), o mais importante rgo de padronizao, define
um APP no padro IEC 61400-2 como um rotor com rea varrida menor que 200m, o que
resulta em uma potncia de sada de aproximadamente 50 kW. Durante o ano de 2011, o nmero
de APP instalado no mundo cresceu em aproximadamente 11%. A China continua a crescer como
mercado com cerca de 500.000 unidades instaladas acumuladas, nmero que representa 68% do
mercado mundial em termos de unidades instaladas. A capacidade global instalada alcanou mais
de 576 MW ao final de 2011, sendo que a China contabiliza 40% desse total e os Estados Unidos
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35%. Mais de 120 MW de capacidade instalada de APP foram adicionados em 2011, o que
contabiliza um crescimento mundial de 27% para esse ano (WWEA, 2013).
Cinco pases (Canad, China, Alemanha, Inglaterra e Estados Unidos) contabilizam cerca
de 50% da indstria de fabricantes de APP. Ao final de 2011, 330 fabricantes haviam sido
identificados mundialmente oferecendo sistemas de gerao comercialmente completos, e uma
estimativa de cerca de 300 fabricantes de peas adicionais, tecnologia, consultoria e revendedores
(WWEA, 2013).
2.1.2.1 Componentes de um aerogerador de pequeno porte de eixo horizontal
A Figura 2.3 mostra os principais componentes de um APP. O aerogerador deve ser
sustentado por uma torre suporte, que pode ser do tipo treliada ou tubular, com ou sem
estaiamentos.
Figura 2.3 Componentes de um aerogerador de pequeno porte Fonte: Adaptado de Bergey, 2012.
- Rotor: so todas as partes rotativas do aerogerador, inclui o cubo e as ps.
-
8
- Nacelle: parte intermediria entre o rotor e as ps. A nacelle no rotaciona com relao ao
rotor, mas deve rotacionar com relao a torre suporte, em um movimento que conhecido como
guinada.
- Gerador Eltrico: realiza a converso da potncia mecnica em eltrica.
- Leme: posiciona o aerogerador na direo predominante do vento incidente.
2.1.2.2 Sistemas de Controle
Existem diversos sistemas de controle de aerogeradores de pequeno porte e eles no
operam da mesma maneira que em outros parques de gerao, pois a velocidade do vento pode
sofrer variaes at mesmo de segundo em segundo. O controle da potncia de sada em turbinas
hidrulicas ou a gs, por exemplo, realizado normalmente com base na demanda de potncia,
com uma vlvula de estrangulamento ajustada para entregar a quantidade suficiente de
combustvel suficiente para a turbina manter sua velocidade constante. No caso do aerogerador,
no h suprimento contnuo e/ou reservas asseguradas para promover operao, dessa forma um
aerogerador deve detectar a direo do vento e velocidade e agir de acordo com esse fator em sua
operao (HEMANI, 2012).
O sistema de controle ou regulao assegura que o aerogerador opere dentro da faixa de
projeto. Em outras palavras, deve assegurar que o aerogerador: (1) mantenha a velocidade
rotacional dentro de uma faixa de valores; (2) realize o movimento de guinada (yaw) da turbina;
(3) mantenha a potncia de sada dentro de uma faixa de valores e (4) inicie e paralise a operao
do aerogerador (HANSEN, 2008). O principal objetivo de um sistema de controle modificar a
operao do aerogerador para manter a segurana na operao da turbina, maximizar a potncia,
evitar danos por cargas de fadiga e detectar condies de falha (SPERA, 2009). Um aerogerador
opera em diferentes regies da curva de produo de potncia eltrica (Figura 2.4). Na regio 2,
quando a velocidade dos ventos est abaixo da velocidade nominal, o objetivo do sistema de
controle maximizar a potncia eltrica de sada do aerogerador. Na regio 3, com ventos
excedendo a velocidade nominal, o objetivo do controlador limitar o carregamento sobre as ps
e gerao de altos valores de torque. Outras regies de operao incluem a operao de
inicializao de funcionamento (startup) e encerramento (shutdown).
-
9
.
Figura 2.4 Regies tpicas de operao para aerogeradores. Fonte: Adaptado de Spera, 2009.
Os principais mecanismos de funcionamento de sistemas de controle de aerogeradores so:
- Controle por estolamento passivo: a forma mais simples de controle. O principio de
funcionamento baseia-se na reduo do coeficiente de sustentao e aumento do coeficiente de
arrasto causada pela situao de ps-estolamento. Com isso, a geometria da p no necessita ser
alterada. O ngulo de inclinao selecionado de maneira que o aerogerador alcance a potncia
mxima ou nominal na velocidade desejada. A principal vantagem a simplicidade de aplicao,
no requer nenhum equipamento adicional. Por sua vez, as principais desvantagens so
relacionadas a alta taxa de vibrao pois o escoamento sobre a p no anexado a superfcie de
baixa presso. A vibrao vem acompanhada, inevitavelmente, de danos por fadiga e tenses.
Portanto, aerogeradores com sistemas de controle por estolamento so submetidos a
carregamentos mais severos nas ps e nas torres, aumentando risco de surgimento de problemas
estruturais (BURTON, 2001).
- Controle por inclinao (pitch) ativo: efetua reduo de potncia acima da potncia
nominal por meio de um mecanismo que rotaciona toda ou qualquer parte da p em torno do seu
prprio eixo axial, o que reduz o ngulo de ataque, consequentemente o coeficiente de
sustentao um processo conhecido como blade feathering. A principal vantagem o aumento
da energia capturada, a facilidade que esse procedimento fornece para a operao de freio
-
10
aerodinmico e carregamento reduzido sobre o aerogerador quando est ocorrendo a operao de
desligamento (BURTON, 2001).
- Controle da guinada (yaw): a maior parte dos aerogeradores de eixo horizontal
empregam mecanismo de guinada, para manter o aerogerador na mesma direo instantnea do
vento incidente. O uso do mesmo mecanismo para guinar o aerogerador fora da direo
instantnea do vento limitando a potncia de sada um fator atrativo deste tipo de sistema.
Porm, h desvantagens relacionadas com os altos valores de momento de inrcia da nacelle e do
rotor sobre o eixo de guinada. Outra desvantagem que em valores baixos de ngulo de yaw (da
ordem de 10) exercem pouca reduo na potncia de sada do aerogerador (BURTON, 2001).
2.1.3 Desempenho de aerogeradores
2.1.3.1 Curvas de desempenho adimensionais
O desempenho de um aerogerador pode ser caracterizado pela maneira com que trs
principais fatores variam com a velocidade do vento: a potncia, torque e empuxo horizontal.
usualmente conveniente expressar o desempenho por meio de curvas de desempenho
adimensionais, que podem ser determinadas independentemente de como o aerogerador opera,
isto , velocidade rotacional constante ou varivel. O desempenho aerodinmico adimensional do
rotor depender da Razo de Velocidades Perifrica (RVP) e do ngulo de inclinao das ps.
O Coeficiente de Potncia ( PC ) definido em funo da potncia mecnica que um aerogerador
capaz de extrair do vento incidente. J o Coeficiente de Empuxo Horizontal ( TC ) uma medida
da parcela de esforo axial (empuxo horizontal) decorrente da velocidade do vento incidente e
que de fato transmitida para a torre suporte do aerogerador. (BURTON, 2001).
A Razo de Velocidades Perifrica (RVP), que representada pelo smbolo , Equao
(2.1), a relao entre a velocidade rotacional do aerogerador e a velocidade do vento incidente.
V
R
(2.1)
-
11
5,0 VR
P
P
PC MECNICA
DISPONVEL
MECNICAP
(2.2)
5,0 VR
T
T
TC MECNICO
DISPONVEL
MECNICOT
(2.3)
onde a velocidade de rotao [rpm], R o raio do rotor [m], V a velocidade incidente
do vento 1[ sm ] e a densidade do ar [ 3. mkg ].
2.1.3.1.1 Curvas Cp-
A potncia de um aerogerador determina o montante de energia do vento capturada pelo
rotor. O mtodo usual de apresentar o desempenho de potncia de sada de um aerogerador pela
curva Cp- (Figura 2.5). O primeiro aspecto notvel que Cp raramente alcana o valor limite de
Betz de 0,592. As ps esto geralmente sujeitas a perdas por arrasto e nas pontas de sua extenso,
alm disso o projeto aerodinmico das ps quase nunca perfeito para alcanar o valor limite de
desempenho de potncia (BURTON, 2001).
-
12
Figura 2.5 Curva de desempenho adimensional Cp-. Fonte: Burton, 2001
2.1.3.2 Curva de desempenho de potncia de aerogeradores
A curva de desempenho de potncia de um aerogerador um grfico que indica a
quantidade de potncia [W ou kW] que um aerogerador ir produzir em um dado valor de
velocidade do vento [m/s]. A potncia representada no eixo vertical e a velocidade do vento no
eixo horizontal (Figura 2.4). De maneira a uniformizar os resultados obtidos e eliminar os efeitos
das possveis flutuaes do vento, foi estabelecido o padro internacional por meio da norma IEC
61400-12-1, que fornece preciso suficiente para a curva de potncia para diversas situaes
prticas (WPP, 2011). Em 2006 foi incorporado norma o anexo H, apresentando orientaes
bsicas para os procedimentos de ensaio de desempenho de potncia dos APP (pgina 83 da
norma acima citada) e tratamento dos dados brutos da curva de potncia (Figura 2.6). Os
principais resultados do teste de desempenho de potncia so: curva da potncia de sada do APP
pela velocidade do vento, coeficiente de potncia e a estimativa da energia eltrica produzida. O
anexo H determina que o banco de dados coletado inclua dez minutos de dados em intervalos de
-
13
0,5 m/s em todas as velocidades do vento compreendidas em at 5m/s alm da potncia mxima
nominal.
Figura 2.6 Dados brutos de desempenho de potncia, sem tratamento estatstico.
Fonte: Norma IEC 61400-12-1 (2006)
2.1.4 Aerodinmica de aerogeradores
O projeto e a otimizao de rotores de aerogeradores um campo cientfico e industrial
muito importante. Devido a isso, cdigos numricos computacionais vem sendo extensivamente
desenvolvidos. Cdigos unidimensionais derivados do Mtodo do Momento no Elemento de P
(MMEP) e cdigos tridimensionais baseados em mtodos de Dinmica dos Fluidos
Computacional so os mais utilizados (LANZAFAME et al, 2013). O modelo matemtico
unidimensional baseado no MMEP o mais frequentemente utilizado tanto pela Cincia quanto
pela Indstria (LANZAFAME & MESSINA, 2009). Diversas referncias na literatura descrevem
este modelo (BURTON, 2001; HANSEN, 2008; MANWELL, 2009; SPERA, 2009, FOX, 2008).
O MMEP utiliza a Teoria Unidimensional do Momento e a Teoria do Elemento de P para
derivar equaes para a potncia mecnica e empuxo horizontal de aerogeradores.
2.1.4.1 Teoria Unidimensional do Momento e Limite de Betz
-
14
Um modelo simples unidimensional, atribudo a Betz (1926), pode ser utilizado para
determinar a potncia mecnica e o empuxo horizontal do vento de um rotor ideal de
aerogerador. Este modelo baseado na teoria do momento linear, desenvolvida a mais de 100
anos atrs para prever o desempenho de hlices de navio. O modelo assume um volume de
controle na forma de tubo de corrente e o aerogerador representado por um disco atuador
uniforme, que cria uma descontinuidade de presso no escoamento de ar no tubo de corrente,
como representado na Figura 2.7 (MANWELL, 2009). Algumas hipteses so assumidas no
modelo: fluido incompressvel e homogneo; escoamento do fluido em regime permanente;
infinito nmero de ps do rotor; escoamento sem atrito (arrasto friccional); empuxo uniforme em
toda a rea do disco atuador; sem rotao na esteira; presso esttica nas sees 1 e 4 so iguais a
presso esttica ambiental no perturbada.
Figura 2.7 Modelo de disco atuador. Fonte: Adaptado de MANWELL, 2009.
A aplicao da Equao (2.4) do momento linear axial na forma integral ao tubo de
corrente descrito na Figura 2.7 fornece o empuxo horizontal descrito na Equao (2.5), que
representa a fora com que o vento age no aerogerador.
-
15
VC SC
pressoext FFdAVzyxudxdydzzyxut
),,(),,( (2.4)
)()()( 414411 UUmAUUAUUT (2.5)
Devido ao fato do escoamento ser estacionrio, incompressvel, sem atrito e sem ao de
foras externas, a equao de Bernoulli vlida para o tubo de corrente, a partir da montante do
escoamento at imediatamente em frente o disco atuador (Equao 2.6). Da mesma maneira, a
equao de Bernoulli tambm pode ser aplicada na entre a regio imediatamente aps disco
atuador at a jusante do escoamento (Equao 2.7). As Equaes (2.8) so obtidas tendo em vista
que a presso esttica nas sees 1 e 4 so iguais presso esttica ambiental no perturbada e
tambm assumindo que a velocidade igual imediatamente antes e imediatamente depois do
disco atuador.
22
1
22
12
22
2
11
Up
Up
(2.6)
22
1
22
12
44
2
33
Up
Up
(2.7)
41
32
pp
UU
(2.8)
O empuxo horizontal tambm pode ser expresso pela Equao (2.9), uma fora na direo
do escoamento resultante da queda de presso no disco atuador. Em outras palavras, o empuxo
pode ser expresso como a somatria do trabalho das foras em cada lado do disco atuador. O
fator de induo axial definido pela Equao (2.10), onde 0U representa a velocidade de
corrente livre, igual a 1U .
-
16
)( 322 ppAT (2.9)
1
21
U
UUa
(2.10)
)1(12 aUU (2.11)
)21(14 aUU (2.12)
Denominando a velocidade de corrente livre UU 1 e utilizando as Equaes de (2.4) a
(2.12), a fora de empuxo horizontal pode ser descrita pela Equao (2.13) ou tambm pela
Equao (2.14), que a sua forma adimensional ou coeficiente de empuxo. Analogamente, a
potncia mecnica de sada pode ser descrita pela Equao (2.15) ou tambm pela Equao
(2.16), que sua forma adimensional ou coeficiente de potncia. O PC mximo obtido
derivando-se a Equao (2.16) e igualando a zero, o que fornece a=1/3. Substituindo a=1/3 na
Equao (2.16), obtm-se o valor conhecido como Limite de Betz, PmxC = 0,5926.
)1(42
1 2 aaAUT (2.13)
)1(4
2
1
)1(42
1
2
1 2
2
aa
UA
aaAU
UA
EmpuxoCT
(2.14)
)1(42
1aaAUP
(2.15)
)1(4
2
1
)1(42
1
aa
UA
aaAU
P
PC
disponvel
rotorp
(2.16)
O Limite de Betz o mximo coeficiente de potncia que um rotor consegue alcanar
tericamente. Na prtica, trs efeitos levam a diminuio do coeficiente de potncia: rotao na
esteira atrs do rotor; nmero finito de ps e arrasto aerodinmico no nulo (MANWELL, 2009).
2.1.4.1 Aeroflios
-
17
A seo transversal das ps de aerogeradores tem o formato de aeroflios, utilizados para
desenvolver potncia mecnica. Aeroflios so estruturas com formatos geomtricos especficos
que so utilizados para gerar foras mecnicas devido ao movimento relativo do aeroflio e um
fluido circundante. Um nmero de termos utilizado para caracterizar um aeroflio, como
mostrado na Figura 2.8 (MANWELL, 2009). Como mostrado na Figura 2.8, a fora de
sustentao definida como perpendicular direo do escoamento do escoamento do vento, e
ocorre como consequncia da diferena de presso entre as superfcies superior e inferior do
aeroflio. A fora de arrasto definida como paralela a direo do escoamento do vento, e ocorre
devido aos efeitos das foras de atrito viscosas sobre a superfcie do aeroflio e tambm devido
diferena de presso nas superfcies facing toward and away do escoamento do vento. O
momento de inclinao (pitching) definido com relao a um eixo perpendicular seo
transversal do aeroflio (MANWELL, 2009).
-
18
Figura 2.8 - Nomenclatura de aeroflios e foras e momentos em uma seo de aeroflio. A
direo positiva das foras e momentos indicada pelas setas.
Fonte: MANWELL, 2009.
Um aeroflio, com ngulo de inclinao fixo do rotor (fixed pitch) opera em trs diferentes
regimes de escoamento. O primeiro destes o regime anexado, para ngulos de ataque variando
de -15 a 15. O segundo o regime de alta sustentao (ou estolamento desenvolvido) para
ngulos de ataque variando de 15 a 30 e o terceiro regime o estolamento completo, com
ngulos de ataque entre 30 e 90 (SPERA, 2009). Muitas situaes de escoamento podem ser
caracterizadas por parmetros adimensionais. O mais importante parmetro para definir
condies de escoamento de fluido o nmero de Reynolds, definido pela Equao (2.17).
Adicionalmente coeficientes momento e foras adimensionais, que so funes do nmero de
Reynolds, podem ser definidos em duas ou trs dimenses, baseados em testes em tneis de vento
(Equaes 2.18 -19).
-
19
v
cVREL Re (2.17)
cU
lL
Cl
2
1
(2.18)
cU
lD
Cd
2
1
(2.19)
onde RELV [1. sm ] a velocidade relativa do vento, c [m] a corda, a viscosidade
cinemtica do ar [ 1. sm ], L a foras de sustentao e D a fora de arrasto [N], lC o
coeficiente de sustentao e dC o coeficiente de arrasto, l o comprimento da superfcie.
2.1.5 Caracterizao do recurso elico local
O recurso elico de uma regio deve ser medido por meio da instalao de uma torre
meteorolgica padronizada pelo anexo G da norma IEC 61400-12-1. Os dados de velocidade do
vento devem ser tratados para que seja estabelecida a distribuio de Weibull do local, parmetro
decisivo para o clculo da Produo Anual de Energia (PAE) de um aerogerador.
2.1.5.1 Funes de densidade de probabilidade
Para calcular a produo anual de energia eltrica necessrio combinar a curva de
produo de potncia eltrica com a funo de densidade de probabilidade de velocidades do
vento. Duas distribuies de probabilidade so comumente utilizadas em anlises de dados
elicos: Rayleigh e Weibull. A distribuio de Rayleigh a mais simples distribuio de
probabilidade de velocidades mais simples para representar o recurso elico, dado que requer o
conhecimento somente da velocidade mdia, MV (MANWELL, 2009).
-
20
2
22 4exp
2)(
MM
RV
V
V
VVf
(2.20)
2
4exp1)(
M
RV
VVF
(2.21)
A distribuio de Weibull pode representar melhor uma variedade maior de regimes elicos
pois utiliza dois parmetros na funo de densidade de probabilidade: k ou fator de forma e c ou
fator de escala. Exemplos da funo de densidade de probabilidade de Weibull para vrios
valores de k so dados na Figura 2.9. Como mostrado, a medida em que k aumenta, a curva tem
um pico mais pronunciado, indicando que h menor variao na velocidade do vento
(MANWELL, 2009).
Figura 2.9 Exemplo da funo de densidade de probabilidade de Weibull para MV =6m/s.
Fonte: Manwell, 2009.
kk
Wc
V
c
V
c
kVf exp)(
1
(2.22)
-
21
k
Wc
VVF exp1)(
(2.23)
2.1.6 Aplicaes de aerogeradores de pequeno porte
A maioria das aplicaes hoje consiste em eletrificao rural em regies sem acesso rede
eltrica, porm crescente o nmero de aerogeradores ligados rede. Nos casos em que h
conexo com a rede eltrica, o proprietrio tem a possibilidade de direcionar o excesso de energia
eltrica gerada na rede pblica, desta maneira contribuindo com o suprimento (WWEA, 2013).
2.1.6.1 Sistemas isolados (off-grid)
Um sistema isolado caracteriza-se por possuir dispositivo de armazenamento de energia
(baterias estacionrias), um controlador de carga para regular a carga da bateria e um conversor
(normalmente um inversor CC-CA), que fornece a alimentao adequada para as cargas. Esse
sistema tem diversas aplicaes: eletrificao rural em comunidades isoladas e propriedades
rurais, iluminao pblica, bombeamento de gua, e vrias outras. A presena de conjunto de
baterias necessria para proporcionar fornecimento constante para o consumidor, visto a
intermitncia do vento ao longo do tempo. Tambm necessria para estabilizar a tenso
fornecida aos equipamentos ou ao inversor eletrnico, uma vez que a tenso de sada do APP no
constante. As baterias podem ser agrupadas em srie ou paralelo. Associaes em srie
permitem obter tenses maiores enquanto que associao em paralelo permite acumular mais
energia ou fornecer mais corrente eltrica com a mesma tenso (EUDORA, 2011).
-
22
Figura 2.10 Diagrama eltrico de um sistema isolado elico com baterias. Fonte: Adaptado do programa HOMER.
2.1.6.2 Sistemas conectados rede eltrica (on-grid)
Nos sistemas elicos compostos por APP conectados a rede eltrica, os consumidores so
alimentados pela rede eltrica e o sistema elico atua como fonte complementar de energia. A
energia gerada pelo sistema pode ser injetada e distribuda na rede eltrica, ou seja, o excedente
de energia pode ser exportado e vendido concessionria de eletricidade (EUDORA, 2011). A
regulamentao da aplicao de microgerao distribuda foi realizada na resoluo normativa
482 da ANEEL, de abril de 2012. Microgerao distribuda definida pela norma como central
geradora de energia eltrica com potncia instalada menor ou igual a 100 kW e que utilize fontes
com base em energia hidrulica, solar, elica, biomassa ou cogerao qualificada.
A viabilidade econmica pode ser mais facilmente conseguida, desde que a legislao em
vigor incentive a utilizao da fonte no pas. No mundo, muitas empresas estatais e privadas vm
investindo na instalao de sistemas elicos para integrao rede eltrica (PINHO, 2008). Nos
Estados Unidos, o programa americano de energia rural, do departamento de agricultura e
desenvolvimento sustentvel, fornece assistncia para pequenos produtores e comerciantes
agrcolas obterem financiamento para compra, instalao e construo de sistemas energticos
baseados em energias renovveis (USDA, 2012).
-
23
Figura 2.11 Diagrama eltrico de um sistema elico conectado rede eltrica. Fonte: Adaptado do programa HOMER.
2.1.6.3 Sistemas hbridos
Um sistema hbrido consiste em mais de uma tecnologia de gerao operando
concomitantemente em um sistema. Pinho (2008) descreve alguns sistemas baseados em energias
renovveis que foram instalados no Brasil na ltima dcada, principalmente para atender a
comunidades rurais isoladas na regio Norte do Pas. Dentre eles, um sistema hbrido elico-
diesel-baterias com 7,5kW de APP e dois geradores diesel de 6kW foram instalados na praia de
Vila Grande (PA/BR) para atender a demanda por energia eltrica de uma comunidade isolada.
-
24
3. MATERIAL E MTODOS
3.1 Materiais
3.1.1 Aerogeradores
Dois aerogeradores foram simulados, um modelo de fabricao nacional e outro modelo
importado. Algumas caractersticas tcnicas dos aerogeradores analisados esto listadas na
Tabela 3.1.
Tabela 3.1: Caractersticas tcnicas dos aerogeradores.
Caractersticas tcnicas Nacional Importado
Potncia nominal [W] 6000 6000
Nmero de ps 3 3
Dimetro das ps [m] 5,55 4,73
Velocidade nominal do vento [m/s] 12 14
Velocidade de sobrevivncia [m/s] 35 35
Velocidade de partida [m/s] 2,2 2
Tenso de sada [V] 220 240
Peso [kg] 198 200
Sistema eltrico Trifsico Trifsico
Sistema magntico Neodmio Neodmio
Tipo de ps Torcida, fibra de vidro Sem toro, fibra de vidro
Perfil de aeroflio Multiflios NACA4415
Velocidade rotacional Varivel Varivel
Sistema de controle Estolamento ativo Guinada (Yaw)
Corda [m] Varivel 0,15
Fonte: Catlogo dos fabricantes.
3.1.2 Dados aerodinmicos para o aerogerador importado
Os coeficientes de sustentao (Cl) e arrasto (Cd) foram avaliados em funo do ngulo de
ataque [], perfil de aeroflio e nmero de Reynolds local para cada elemento da p. Dados
registrados em tnel de vento (OHIO STATE UNIVERSITY, 1999, 1995) foram utilizados para
o APP importado, porm estes dados esto disponveis de Re= 5105,7 a 6102 . Ento, dados
-
25
simulados pelo programa computacional Xfoil (AIRFOIL TOOLS, 2014) foram utilizados para
Re= 5105,7 a 5101 .
3.1.3 Dados fornecidos pelo fabricante do aerogerador nacional
A empresa fabricante do aerogerador nacional forneceu a geometria das ps: distribuio da
corda, toro ao longo do comprimento da p. A empresa tambm forneceu uma tabela com os
perfis de aeroflio utilizados nas ps e tambm valores de Cl e Cd em funo de para Reynolds
variando de 5101 a 6101 . Neste trabalho foram assumidas todas as condies fornecidas pelo
fabricante.
3.1.4 Programa computacionais
Homer (Hybrid Optimization Model for Eletric Renewables), desenvolvido pelo NREL
(National Renewable Energy Laboratory) um programa computacional para projetos de
sistemas de gerao distribuda, conectados rede eltrica ou isolados (HOMER, 2014). Sistemas
hbridos de gerao de energia eltrica, baseados em energias renovveis ou no renovveis,
podem utilizar o programa Homer para realizar anlise de viabilidade tcnica e econmica. A
Tabela 3.2 mostra como esse programa foi utilizado por outros autores para simulaes de
aerogeradores em diferentes aplicaes.
Tabela 3.2 -Simulaes de sistemas elicos e hbridos modeladas pelo Homer
Referncia Tecnologia avaliada Pas Aplicao/carga
Asrari (2012) Iran Alternativa extenso da rede eltrica
Kusakuna & Vermaak (2013) Congo Estaes de telefonia mvel em regies rurais
Demiroren & Yilmaz (2010) Turquia Suprimento na maior Ilha Turca
Henryson & Svensson (200 4) Antrtica Pesquisa com aerogeradores na Antarctica
Shahid et al (2013) Arbia Saudita Simulao de 75 MW de aerogeradores
Rehman et al (2007) Arbia Saudita Aerogeradores em planta diesel existente
Sen & Bhattacharyya (2014) ndia Perfil de carga agrcola, domstica e industrial
Bekele & Tadesse (2012) Etipia Eletrificao rural
Ngan & Tan (2012) Malsia Suprimento de uma cidade/ 60kW de carga
-
26
Hafez & Bhattacharya (2012) Canad Micro-redes para suprimento em reas rurais
Ashourian et al (2013) Malsia Energias verdes para hotis na Malsia
Legenda: = aerogerador, = painis fotovoltaicos, = gerador diesel, = turbina hidrulica, = bateria, = rede eltrica
3.2 Mtodos
3.2.1 Simulao do desempenho de potncia
O desempenho dos dois APP foram simulados por meio do Mtodo do Momento no
Elemento de P, que iguala as equaes provenientes da Teoria Unidimensional do Momento e
da Teoria do Elemento de P. Segundo a Teoria Unidimensional do Momento, as equaes que
nos fornecem a potncia mecnica e o empuxo horizontal, considerando a rotao do ar atrs do
aerogerador, so:
rdrrVaadQdP 22
1)1('4 22
(3.1)
rdrVaadT 22
1)1(4 2
(3.2)
Na Teoria do Momento Unidimensional, alguns fatores relacionados geometria real do
rotor no so levados em considerao. Na Teoria do Elemento de P so considerados fatores
como, por exemplo, o nmero de ps, a distribuio da corda e a toro ( ) (HANSEN, 2008).
As foras de interao entre a superfcie do aeroflio e o vento so os principais aspectos
relacionados produo de energia eltrica nos aerogeradores.
3.2.1.1 Anlise do elemento de p
-
27
Figura 3.1 Geometria de uma p de aerogerador de eixo horizontal. Fonte: Adaptado de HANSEN, 2008.
Na Figura 3.1, temos:
(3.3)
)'1(
)1(tan
ar
aV
(3.4)
sen
aVVREL
)1(
(3.5)
As foras de sustentao e arrasto so calculadas pelas Equaes (3.6) e (3.7) (HANSEN,
2008). As componentes projetadas das foras de arrasto e sustentao so calculadas pelas
Equaes (3.8) e (3.9), que por sua vez esto apresentadas na forma normalizada com respeito a
cVREL2
5.0 , Equaes (3.10), (3.11), (3.12) e (3.13). Considerando a Figura 3.1, o termo RELV nas
Equaes (33) e (34) calculado pela Equao (3.14) ou (3.15).
lREL cCVL2
2
1
(3.6)
-
28
dREL cCVD2
2
1
(3.7)
DsenLpN cos (3.8)
cosDLsenpT (3.9)
senCCC dln cos (3.10)
cosdlt CsenCC (3.11)
25,0 REL
Nn
V
pC
(3.12)
25,0 REL
Tt
V
pC
(3.13)
sen
aVVREL
)1(
(3.14)
cos
)'1( arVREL
(3.15)
A fora normal e a potncia mecnica do rotor podem ser calculadas pelas Equaes (3.16)
e (3.17) para um volume de controle infinitesimal de comprimento dr:
drBpdT N (3.16)
drrBpdP T (3.17)
-
29
A potncia mecnica e o empuxo horizontal do aerogerador foram calculados pelas
Equaes (3.19) e (3.20):
cdrsenCCBVdT dlREL )cos(2
1 2
(3.19)
crdrCsenCBVdP dlREL )cos(2
1 2
(3.20)
3.1.1.2 Mtodo do Momento no Elemento de P
O MMEP consiste em discretizar o tubo de corrente introduzido na teoria unidimensional
em N elementos anulares de tamanho dr (Figura 3.2) e analisar os eventos locais que ocorrem nas
ps atravs da Teoria do Elemento de P, para assim obter equaes para o empuxo horizontal e a
potncia de eixo do aerogerador (HANSEN, 2008).
Figura 3.2 Esquema dos elementos de p; onde c o comprimento da corda do aeroflio; dr o comprimento radial de cada elemento; r o raio local; R o raio total do rotor; a velocidade angular do rotor.
Fonte: MANWELL, 2009.
-
30
Igualando as equaes para a potncia mecnica e empuxo horizontal derivadas da teoria
unidimensional do momento e da teoria do elemento de p, obtm-se as Equaes (3.21) e (3.22)
para os coeficientes de induo axial e tangencial:
14
12
nC
sena
(3.21)
1cos4
1'
tC
sena
(3.22)
3.1.1.3 Mtodo Iterativo
Todas as equaes necessrias para modelar o MMEP foram fornecidas, e o algoritmo para
resoluo sumarizado em oito passos por Hansen (2008), configurando o principio do MEP.
Com a resoluo desse algoritmo, possvel implementar computacionalmente as Equaes
(3.19-3.20), consequentemente, calcular a potncia terica de eixo do aerogerador e o empuxo
horizontal:
-
31
Figura 3.3 Fluxograma do Mtodo do Momento no Elemento de P. Fonte: Elaborao prpria.
3.1.1.4 Correes
3.1.1.5 Fator de perda de Prandt
Para um sistema com nmero finito de ps o sistema de vrtex na esteira diferente
daquele do rotor com nmero infinito de ps. Prandtl derivou um fator de correo F para as
equaes (3.19) e (3.20) ( dT e dM ), que leva a equaes corrigidas para os fatores de induo
axial e tangencial a e 'a , que devem ser utilizadas no lugar daquelas anteriormente descritas
pelas equaes (3.21) e (3.22) no passo (6) do algoritmo de Hansen (2008). Um passo extra para
computar o valor de F pode ser adicionado ao passo (2).
))(exp(cos2 1 fF
(3.23)
onde:
-
32
rsen
rRBf
2
(3.24)
3.1.1.6 Avaliao dos coeficientes de arrasto e sustentao
Os coeficientes de sustentao ( lC ) e arrasto ( dC ) foram avaliados em funo do ngulo de
ataque [] e do nmero de Reynolds local para cada elemento da p (Figuras 4.2). Para o APP
importado, valores de [] < 20 foram considerados no estolados, e os coeficientes de
sustentao e arrasto foram ajustados por funes polinomiais de quinta ordem (Figuras 3.2a-b).
Para a segunda faixa, que compreende a situao ps-estolamento para [] > 20, os
coeficientes de sustentao ( lC ) e arrasto ( dC ) foram ajustados por diferentes funes: Flat Plate
theory e Lanzafame-Messina theory. Valores de nmero de Reynolds entre 510.2 e 610.2 foram
considerados para o aerogerador importado, que possui perfil NACA 4415.
-
33
Figura 3.3 Ajuste polinominal de quinta ordem para os coeficientes de sustentao e arrasto do perfil de aeroflio do aerogerador importado NACA4415.
Fonte: Elaborao prpria, a partir de dados da literatura.
Tabela 3.3 Ajuste polinomial de quinta ordem para os perfis de aeroflio do aerogerador importado
Reynolds Funo Polinomial R 5105,7 Cl=(1E-07)a5-(4E-06)a4-0,0001a3-0,0005a2+0,1035a+0,4334 0,9958
Cd=(-1E-07)a5+(3E-06)a
4+(5E-06)a
3-(5E-05)a
2+0,0024a+0,0003 0,9904
6101 Cl=(1E-06)a5-(4E-05)a4+(1E-05)a3+0,0014a2+0,0975a+0,4231 0,9967
Cd=(2E-08)a5-(2E-07)a
4+(6E-06)a
3+0,0001a
2+0,0023a-0,0007 0,9928
61025,1 Cl=(1E-06)a5-(4E-05)a4-(7E-05)a3+0,001a2+0,1023a+0,4196 0,9991
Cd=(-2E-08)a5+(2E-06)a
4-(1E-05)a
3+(3E-05)a
2+0,0028a-(3E-05) 0,9987
Fonte: Elaborao prpria
Os coeficientes de sustentao (Cl) e arrasto (Cd) tambm foram determinados para cada
elemento de p do aerogerador nacional, em funo do ngulo de ataque [] local para cada
seo da p. O fabricante forneceu valores do nmero de Reynolds entre 5101 e 6101 para cada
um dos aeroflios utilizados no projeto da p. Para a primeira faixa de valores de ngulo de
ataque, que compreende a situao de estolamento, os coeficientes de sustentao e arrasto foram
ajustados por funes polinomiais de quinta ordem (Figuras 4.3a-b). Para a segunda faixa, que
compreende a situao ps-estolamento, os coeficientes de sustentao (Cl) e arrasto (Cd) foram
ajustados por diferentes funes: Teoria da Placa Plana e a teoria proposta por Lanzafame-
Messina (2009).
-
34
-
35
Figura 3.4 Caracterizao dos perfis de aeroflios do aerogerador nacional. Fonte: Dados fornecidos pelo fabricante.
A Tabela 3.4 mostra os valores de R das curvas de ajuste polinomial de quinta ordem para
os cinco perfis de aeroflio presentes nas ps do aerogerador nacional. Para o perfil 4 foi
registrado o menor valor de R de 0,9575. Para todos os demais perfis, o valor de R esteve entre
0,99 e 1, o que demonstra boa correlao entre os dados experimentais de Cl e Cd e os ajustes
polinomiais de quinta ordem aplicados.
Tabela 3.4 Ajuste polinomial de quinta ordem para os perfis de aeroflio do aerogerador nacional
Perfil Reynolds Funo polinomial R
Perfil 1 6101 Cl=(-1E-07)a+(6E-06)a-0,0003a+0,0018a+0,1102a-0,0126 0,9998
Cd=(7E-07)a-(1E-06)a-(7E-06).a+0,0002a-0,0003a+0,008 0,9923
Perfil 1 5105 Cl=(2E-06)a-(7E-05)a+0,0005a-0,0003a+0,1047a-0,0126+0,001 0,9999
Cd=(-3E-08)a+(1E-06)a-(4E-06).a+(2E-06)a-(5E-05)a+0,0107 0,999
Perfil 1 5101 Cl=(3E-06)a-(7E-05)a-(7E-5)a+0,0039a+0,1057a+0,3011 0,9994
Cd=(5E-09)a-(2E-07)a+(6E-06).a-(3E-06)a-0,0001a+0,0081 0,9987
Perfil 2 6101 Cl=(4E-07)a-(2E-06)a-0,0004a+0,0023a+0,1131a-0,012 0,9996
Cd=(-7E-09)a+(5E-07)a+(4E-07).a+(3E-05)a-0,0004a+0,008 0,9996
Perfil 2 5105 Cl=(4E-06)a-0,0001a+0,0004a+0,0009a+0,1062a-0,0015 0,9999
Cd=(-6E-08)a+(2E-06)a-(2E-05).a+0,0001a-0,0004a+0,009 0,9989
Perfil 2 5101 Cl=0,0073a+0,1055a+0,0683 1
Cd=0,0001a-0,0001a+0,0081 1
Perfil 3 6101 Cl=(-5E-06)a+(3E-05)a+0,0003a-0,0009a+0,1076a+0,0024 1
Cd=(-8E-08)a+(1E-06)a+(1E-05).a-(2E-05)a-0,0004a+0,0077 0,9986
Perfil 3 5105 Cl=(-8E-06)a+(5E-05)a+(9E-05)a-0,0006a+0,1097a+0,0008 1
Cd=(-2E-07)a+(3E-06)a+(2E-07).a-(2E-05)a-0,0003a+0,0086 0,997
Perfil 3 5101 Cl=(6E-06)a-0,0001a+0,0003a+0,0038a+0,1153a+0,0029 0,9996
Cd=(-4E-08)a+(2E-06)a-(2E-05).a+(7E-05)a+(9E-05)a+0,0077 0,9987
Perfil 4 6101 Cl=-(2E-05)a+0,0002a-0,0001a-0,0022a+0,116a+0,0039 0,9999
Cd=(-7E-07)a+(2E-05)a-0,0002.a+0,0005a+(1E-04)a+0,0066 0,9575
Perfil 4 5105 Cl=-(2E-05)a+0,0002a-0,0001a-0,0022a+0,116a+0,0039 0,9999
Cd=(4E-08)a+(8E-07)a-(1E-05).a+0,0001a-0,0002a+0,0082 0,9994
Perfil 4 5101 Cl=-(3E-06)a+0,0001a-0,0015a+0,0049a+0,1348a-0,0081 0,9993
Cd=(1E-08)a+(2E-06)a-(3E-05).a+0,0001a-0,0002a+0,0073 0,9989
Perfil 5 6101 Cl=-(6E-06)a+(1E-05)a+0,0002a(2E-05)a+0,1093a-0,0005 1
Cd=(5E-08)a+(1E-06)a-(5E-05).a+(4E-05).a-(3E-05)a+0,0066 0,9987
Perfil 5 5105 Cl=-(2E-05).+0,0001a+0,0003a-0,0016a+0,109a+0,0022 1
-
36
Cd=(1E-06)a-(1E-05)a+(3E-05).a+0,0002.a-0,0003a+0,0068 0,9691
Perfil 5 5101 Cl=-(2E-05)a+0,0003a-0,00245a+0,0011a+0,1483a-0,0285 0,9998
Cd=-(1E-07)a+(7E-06)a-(6E-05).a+0,0001.a+0,0006a+0,0071 0,9992 Fonte: Elaborao prpria, a partir de dados fornecidos pelo fabricante
3.2.2 Simulao da aplicao de aerogeradores
A curva de potncia nominal fornecida pelos fabricantes foi utilizada como dado de entrada
no programa Homer para simular duas configuraes: (1) um sistema elico com conexo rede
eltrica pblica e (2) sistema isolado elico - baterias. O modelo de bateria considerado no caso
do sistema isolado foi o SURRETT 6CS25P de 6,94kWh cada. O perfil de carga eltrica de uma
comunidade isolada do estado do Par (Figura 3.5) com 3,9kW de pico e 37kWh/dia foi utilizada
na simulao (PINHO, 2008).
Figura 3.5 Perfil de carga eltrica simulado.
Fonte: Pinho (2008).
3.2.2.1 Parmetros de avaliao
A Produo Anual de Energia Eltrica (PAE) foi simulada, bem como o Custo da Energia
(COE), o Custo do Trabalho Presente (NPC) que corresponde ao valor presente lquido do
investimento, Frao Renovvel (FR) e Fator de capacidade (FC) foram simulados no programa
computacional Homer. As equaes a seguir, que descrevem a PAE, COE, CF e NPC, so todas
calculadas pelo programa Homer.
-
37
A Produo Anual de Energia Eltrica (PAE) um dos parmetros calculados pelo
programa Homer. A PAE pode ser calculada usando-se a Equao (3.25), por meio da
combinao da curva de produo de potncia eltrica do aerogerador e a funo de densidade de
probabilidade de ocorrncia das velocidades do vento. A distribuio de Weibull a que pode
melhor representar uma variedade maior de regimes elicos, pois utiliza dois parmetros na
funo de densidade de probabilidade: k ou fator de forma e c ou fator de escala (MANWELL,
2009).Ela foi usada para representar os regimes elicos das trs cidades avaliadas.
u
dVVfVPPAE )()(76,8 (3.25)
em que,
PAE Produo anual de energia eltrica, kWh;
V Velocidade do vento, m/s;
P(V) Potncia eltrica produzida na velocidade do vento V, W;
f(V) Funo de densidade de probabilidade de velocidades do vento;
Neste trabalho, o diagrama de Weibull foi determinado para trs cidades diferentes (Figura 3.6)
utilizando o Homer. Para as cidades de Roscoe (TX/EUA) e Campinas (SP/BR), dados anemomtricos
da base de dados meteorolgicos da NASA (2014) foram consultados. Para a localidade brasileira de
Cubato, foram utilizados dados de um em um minuto e j devidamente tratados coletados em torre
anemomtrica instalada no local, com k=1,44 e fator de correlao=0,78 (CAMARGO SCHUBERT,
2011). Os mesmos valores de k e fator de correlao foram assumidos para Cubato e Roscoe.
-
38
Figura 3.6 Diagramas de Weibull para as cidades de Campinas (SP/BR), Roscoe (TX/EUA) e
Cubato (SP/BR).
Fonte: Adaptado do programa Homer.
O Fator de Capacidade (FC) de um aerogerador em um dado local definido como a razo
da energia eltrica produzida pelo aerogerador e a energia eltrica que poderia ter sido produzida
se o equipamento operasse em sua Capacidade Instalada (CI) nominal nas 8760 horas do ano
(MANWELL, 2009). Ele foi avaliado usando-se a Equao (3.26).
8760100
CI
PAEFC
(3.26)
O Custo Presente Lquido (NPC: Net Present Cost) representa o custo do ciclo de vida til
de um sistema. O NPC total considera todos os custos e revendas que ocorrem no tempo de vida
til do projeto para calcular um montante em $ atual, com fluxos de caixa futuros descontados
para o valor presente, de acordo a taxa de desconto i adotada (NREL, 2005). Segundo o Copel
-
39
(2007), a taxa de desconto i a ser adotada em projetos de sistemas elicos corresponde taxa
IGPM. Neste trabalho foi utilizado o valor i=5,53%, a IGPM acumulada de 2013 (FGV, 2014).
A Equao (3.27) foi usada para avaliar o custo presente lquido.
),(
,
NiCRF
CC
totann
NPC (3.27)
em que,
totannC , - Custo anualizado total, R$;
i - taxa de desconto;
N - tempo de vida do projeto, anos;
CRF - fator de recuperao do capital; dado pela equao 3.28 (SHAAHID et Al, 2013):
1)1(
)1(),(
N
N
i
iiNiCRF
(3.28)
O programa Homer define o Custo da Energia (COE) como o custo mdio do kWh da
energia eltrica utilizvel produzida pelo sistema. O programa divide o custo anualizado de
produo de energia eltrica pela carga eltrica total atendida. A Equao (3.29) foi usada para
seu clculo.
servida
totann
E
CCOE
,
(3.29)
A Frao Renovvel (FR) a frao de energia eltrica entregue para a carga que
proveniente de fontes renovveis de energia. No caso de um sistema elico isolado, por exemplo,
FR=1.
Nesta simulao, os dados de entrada referentes a custos exigidos pelo HOMER foram:
- Custo de aquisio do sistema elico (aerogerador, inversor, torre) igual a R$ 8.500,00/kW
(NOGUEIRA et al, 2014)
-
40
- Custo da bateria igual a R$300/kWh (NOGUEIRA et al, 2014);
- Custo anual de operao e manuteno de cada sistema elico foi assumido como 0.5% do custo
de aquisio inicial (ASRARI et al, 2012);
- Custo do kWh comprado da rede eltrica pblica foi admitido como sendo R$0,34/kWh para as
trs cidades, que corresponde ao custo mdio do kWh para a regio Sudeste do Brasil (ANEEL,
2014).
- Custo da extenso da rede eltrica pblica foi assumido em US$ 8,000/km (ASRARI et al,
2012).
-
41
4. RESULTADOS E DISCUSSO
Foi realizada simulao dentro de ampla faixa de operacionalidade dos aerogeradores
importado e nacional. Aps a determinao do nmero de Reynolds local em cada elemento de
p, os coeficientes aerodinmicos (Cl e Cd) foram avaliados em cada seo da p por meio de
funes polinomiais ajustadas para dados da literatura (no estolamento) e relaes empricas
(estolamento). Um cdigo numrico unidimensional baseado no MMEP foi implementado para
avaliar a potncia (dP) e empuxo horizontal (dT) de cada elemento de p. Cada p do APP
importado foi dividida em vinte elementos de p, j no caso do APP nacional a p foi dividida em
sessenta elementos, pois a corda varivel em cada um desses, bem como o ngulo de toro. A
potncia mecnica bem como sua forma adimensional (Cp), foram simulados para os
aerogeradores importado e nacional em funo de aspectos operacionais, como a velocidade do
vento (V), RVP () e rotao (rpm). Por fim, duas configuraes diferentes de sistema elico
foram simuladas para quatro regies diferentes: sistemas conectados rede eltrica (on-grid) e
sistema isolado elico-baterias (off-grid).
4.1 Simulao do desempenho dos aerogeradores
4.1.1 Validao do cdigo numrico
APP com outros perfis aerodinmicos tambm vm sendo pesquisados. O maior
experimento com APP realizado em tnel de vento foi conduzido em uma parceria entre NREL e
NASA, na qual o NREL realizou uma srie de testes com APP no tnel de vento da NASA.
Resultados com alta preciso e confiabilidade foram obtidos em 1.700 configuraes de testes
diferentes (NREL, 1999). Os resultados desse experimento foram extensivamente analisados nos
ltimos anos (LANZAFAME & MESSINA, 2007, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013) e podem ser
utilizados para validao de cdigos numricos baseados no MMEP. Um desses APP testados foi
o NREL phase II de 10kW, com ps no torcidas, corda constante e perfil aerodinmico S802.
Para esse APP, o MX
pC foi de 0,23 para entre quatro e cinco e ngulo de inclinao (pitch) de
10, enquanto que o Cp mximo do APP importado para o mesmo ngulo de inclinao foi
-
42
aproximadamente 0,35. OAPP NREL phase II tambm foi simulado no presente trabalho,
apresentando boa concordncia com dados experimentais.
Figura 4.1 Simulao do aerogerador NREL phase II, com aeroflio S802.
4.1.2 Simulao das curvas de desempenho adimensionais
4.1.2.1 Aerogerador importado
A influncia do ngulo de inclinao da p ( b ou pitch angle) sobre o desempenho de
potncia da curvas VCP (Figura 4.1) foi avaliada dentro de uma faixa de sensibilidade entre 6
e 12 para o APP importado. A Figura 4.2 mostra que o Cp do APP importado bastante
influenciado pelo pitch angle quando o aerogerador opera em altos valores de rotao (RVP > 4)
e praticamente independe desse parmetro em baixas rotaes (RVP < 4).
-
43
Figura 4.2 Coeficiente de Potncia Cp em funo da Razo de Velocidades Perifricas para aerogerador importado.
Apesar de o APP importado ter a geometria no torcida e com corda constante, o que causa
aumento na fora de arrasto nas ps, o perfil NACA 4415 pode alcanar altos valores de
coeficiente de potncia. Vaz et al (2009) simulou um APP com 3,5m de dimetro e perfil NACA
4415, o Cp mximo foi 45% para ngulo de ataque de 4. Lanzafame & Messina (2010)
projetaram uma microturbina elica de 40W, 0,5m de dimetro com ps perfil NACA 4415
torcidas, com geometria otimizada para a velocidade de 7m/s. O 49,0MX
pC ocorre para =6 e
=4,71, pois a razo Cl/Cd=125 mxima nesta condio de operao.
Tambm importante notar que o APP importado pode ter melhor desempenho
aerodinmico ajustando o ngulo de inclinao das ps (pitch angle) para ngulos menores que
10. Porm, aerogeradores com sistema de regulao e controle de potncia por variao do pitch
tm mecanismo de funcionamento mais complexo. Segundo Nagai et al (2010), o sistema de
controle com pitch varivel bastante aplicado em AGP para reduo de cargas, mas no muito
utilizado em APP. No caso do aerogerador importado, o sistema de controle baseado no
movimento de guinada (yaw), no ocorrendo variao do ngulo de pitch durante a
operacionalidade. Pode-se ajustar o ngulo de inclinao das ps para ngulos menores na
ocasio da montagem do aerogerador, porm as ps estaro sujeitas a carregamento mecnico
maior, o que pode comprometer a estrutura da torre suporte.
-
44
4.1.2.2 Aerogerador nacional
O APP nacional possui a curva de desempenho de potncia adimensional Cp- da Figura
4.3, na faixa de operacionalidade com RVP variando entre 2 e 6,79, RVP na qual o fabricante
definiu o ngulo de toro ao longo da p (FABRICANTE); o Cp mximo registrado foi de 0,32
para =4 (Figura 4.3) e ngulo de inclinao de 2. Portanto, esse aerogerador possui melhor
desempenho aerodinmico em baixas rotaes do que o aerogerador importado, que tem Cp
aproximadamente 0,25 para =4. A geometria do APP nacional, com corda varivel e ngulos de
toro por toda a extenso das ps, proporciona valores negativos dos coeficientes de induo
axial e tangencial, consequentemente momentos negativos em alguns elementos de p quando o
aerogerador opera em altos valores de RVP. Para valores de RVP entre 3 e 4 a rotao mais
baixa e o ngulo de ataque no estolado devido a geometria das ps, o que aumenta o Cp do
aerogerador.
Figura 4.3 Coeficiente de Potncia Cp pela Razo de Velocidades Perifricas para aerogerador nacional.
4.1.3 Simulao das curvas de potncia eltrica
4.1.3.1 Aerogerador importado
-
45
A curva de potncia eltrica do APP importado foi simulada em ampla faixa de
operacionalidade (Figura 4.4), com RVP variando de 1 a 8 e assumindo que a transformao da
potncia mecnica em eltrica tem 90% de rendimento. O desempenho de potncia deste APP
aumenta em funo do aumento da rotao; o Cp mximo foi aproximadamente 0,35 para =8
para ngulo de inclinao (pitch) de 10.
Figura 4.4 Curva de potncia em funo da velocidade da corrente livre de vento e da razo de velocidades perifricas para aerogerador importado.
O nmero de Reynolds foi considerado constante por toda a p e avaliado a 5105,7 na
Figura 4.4. J na Figura 4.5, o nmero de Reynolds foi calculado para cada elemento de p, pois
esse parmetro varia em funo da velocidade relativa do vento. A curva de potncia eltrica foi
simulada em funo da rotao [rpm] para realizar essa anlise. Um ngulo de pitch de 10 e as
velocidades 3m/s, 6m/s e 9m/s foram avaliados. Os resultados da Figura 4.5 mostram que a
hiptese de assumir Reynolds constante em 510.5,7 faz com que haja aumento da estimativa da
potncia eltrica produzida. Em geral, ocorre discrepncia entre assumir Reynolds constante ao
longo da p e Reynolds varivel em funo das caractersticas de cada elemento de p. Martinez
(2006) tambm utilizou valores de Reynolds variveis em comparao com a hiptese de nmero
de Reynolds constante ao longo da extenso da p. Seus resultados tambm mostraram que
assumir Reynolds constante implica em exceder a aferio da potncia eltrica gerada.
-
46
Figura 4.5 Curva de potncia em funo da velocidade da corrente livre de vento e da rotao do aerogerador importado.
4.1.3.2 Aerogerador nacional
A curva de potncia eltrica do APP nacional foi simulada na faixa de operacionalidade
para RVP igual a 2, 3,4 e 6,8 e considerando Reynolds varivel em cada elemento de p. O APP
nacional produz mais potncia eltrica para RVP=4 para todas as velocidades (Figura 4.6). Esse
APP atinge a potncia nominal a 12m/s, o que deve acontecer com RVP entre 3 e 4,
aproximadamente, segundo a Figura 4.6. A partir de 12m/s, o sistema de controle de passo
comea a agir para evitar esforos axiais elevados e vibrao no aerogerador. A Figura 4.7 mostra
a potncia eltrica em funo da rotao para 6101Re para V=4ms-1, hiptese que leva a
subestimar a produo de energia eltrica.
-
47
Figura 4.6 Curva de potncia em funo da velocidade da corrente livre de vento e da rotao do aerogerador nacional.
Figura 4.7 Curva de potncia em funo da velocidade da corrente livre de vento e da rotao do aerogerador nacional.
4.1.4 Caracterizao das ps
4.1.4.1 Aerogerador importado
4.1.4.1.1 Distribuio do nmero de Reynolds nas ps
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O nmero de Reynolds funo da velocidade relativa do vento e da geometria da p. A
Figura 4.8 mostra a distribuio do nmero de Reynolds em toda a extenso das ps do APP
importado, para a velocidade de 6m.s-1 e RVP=4. O nmero de Reynolds aumenta de 5104
prximo ao cubo para 6105,1 prximo ponta da p. Lanzafame & Messina (2010) projetaram
um prottipo de microturbina elica (R=0,25m), com ps perfil NACA 4415 e ps otimizadas
para V=7m/s por meio de toro na geometria. Para V=5m/s o nmero de Reynolds mantm-se
constante ao longo da p em aproximadamente 5106,2 . Para velocidade de 20m/s o Reynolds
varia de 5105,6 prximo ao cubo at 5105,3 na ponta da p. Em 10m/s e 15m/s o nmero de
Reynolds tambm apresenta a tendncia de diminuir ao longo da p, partindo da proximidade ao
cubo at a ponta. J o que se verifica neste presente trabalho que o nmero de Reynolds varia
de maneira oposta, j que as ps so no torcidas, apesar de serem do mesmo perfil.
Figura 4.8 Distribuio do nmero de Reynolds nas ps do aerogerador importado, para RVP=4 e V=6m.s-1.
4.1.4.1.2 Coeficientes de induo axial (a) e tangencial (a)
Os coeficientes a e a foram obtidos para cada velocidade do vento. Aps trs iteraes
obteve-se convergncia superior a 99% no caso do aerogerador importado perfil NACA 4415. A
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Figura 4.9 mostra a distribuio do coeficiente a em funo da posio radial, para V=6m.s-1 e
RVP=4. A velocidade induzida axial menor prxima ao centro das ps e maior nas pontas. O
coeficiente a no se aproxima do valor que produz o valor terico de Betz, ou seja, a=1/3. J em
relao ao coeficiente de induo tangencial, a Figura 4.10 mostra que a velocidade induzida
tangencial tem valor bem mais elevado prximo ao cubo do que prximo s pontas das ps, onde
o valor quase nulo.
Figura 4.9 Distribuio do coeficiente de induo axial nas ps do aerogerador importado, para RVP=4 e V=6m.s-1.
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Figura 4.10 Distribuio do coeficiente de induo tangencial nas ps do aerogerador importado, para RVP=4 e V=6m.s-1.
4.1.4.2 Aerogerador nacional
4.1.4.1.1 Distribuio do nmero de Reynolds nas ps
A Figura 4.11 mostra a distribuio do nmero de Reynolds em toda a extenso das ps do
APP nacional, para a velocidade de 4m.s-1 e RVP=3. O nmero de Reynolds menor nas
proximidades do cubo, e varia de 5102 cubo para 5108 na ponta da p. O perfil de aeroflio
utilizado na ponta das ps (perfil 5) tem os menores valores de coeficiente de sustentao, j que
essa regio estar sujeita aos maiores valores de momento e Cp. A corda na ponta das ps
tambm menor do que nas proximidades do cubo para amenizar o carregamento. O perfil de
aeroflio utilizado prximo ao cubo (perfil 1) tem o coeficiente de sustentao de 1,42 para
Reynolds igual a 5101 , o maior de todos os perfis para qualquer valor de Reynolds. Portanto, a
regio das ps desse APP que prxima ao cubo tambm maximizada para produzir energia
eltrica, apesar de estarem sujeitas a momentos menores.
Figura 4.11 Distribuio do nmero de Reynolds nas ps do aerogerador nacional, para RVP=3 e V=4 m.s-1.
4.1.4.1.2 Coeficientes de induo axial (a) e tangencial (a)
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No caso do aerogerador nacional, segundo o fabricante, a toro foi projetada para
proporcionar um ngulo de ataque de 5 em toda a extenso da p a uma velocidade de corrente
livre do vento igual a 10m/s e velocidade na ponta da p igual a 67,8 m/s (rotao=240rpm). Os
coeficientes de induo axial e tangencial foram obtidos aps quatro iteraes, porm a
convergncia mxima obtida foi 95%, valor menor em comparao com o APP importado. Uma
possvel explicao para maior dificuldade de obteno de convergncia no processo iterativo
descrito no fluxograma da Figura 3.3 a diferena no perfil