estudo e avaliação da operação de um sistema de geração eólica

8/9/2019 Estudo e Avaliao da Operao de um Sistema de Gerao Elica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIAESCOLA POLITCNICA

CURSO DE GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

ESTUDO E AVALIAO DA OPERAO DE

UM SISTEMA DE GERAO ELICA

MAURCIO NUNES SANTANA

2009


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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIAESCOLA POLITCNICA

CURSO DE GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA




Trabalho apresentado ao Curso de

Graduao em Engenharia Eltrica da

Universidade Federal da Bahia como

parte dos requisitos para obteno do

ttulo de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Caiuby Alves da Costa

SALVADOR

2009


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Estudo e avaliao da operao de um sistema de gerao elica

Maurcio Nunes Santanaiii




Este Trabalho de Graduao foi julgado adequado para a obteno do graude Engenheiro Eletricista e aprovado em sua forma final pela ComissoExaminadora e pelo Colegiado do Curso de Graduao em EngenhariaEltrica da Universidade Federal da Bahia.

_____________________________Cristiane Corra Paim

Coordenadora do Colegiado doCurso de Engenharia Eltrica

Comisso Examinadora

_____________________________Prof. Dr . Caiuby Alves da Costa (Orientador)

_____________________________Prof. Bernardo Gustavo Paez Ortega

_____________________________Prof. Francisco Lisboa

_____________________________Eng Antonio Bendocchi


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Maurcio Nunes Santanaiv

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus pela famlia, pela sade e pelo dom do aprendizado.

toda minha famlia, pelo incentivo, preocupao, confiana ao longo da

vida. Em especial a meus pais, pelas oportunidades oferecidas por toda a vida, pela

compreenso, afeto e companheirismo.

Tia Ktia, pelo auxlio na formao e empenho em todas as ocasies.

Ao Prof. Dr. Caiuby Alves da Costa, pela orientao, apoio tcnico e

pacincia na soluo dos problemas ao longo do Trabalho.

Ao Eng. Antnio Bendocchi, pela pacincia, troca de informaes e

disponibilidade em prol do Trabalho.

Aos colegas da Ecoluz, pelo incentivo, ajuda e troca de informaes ao longo

deste perodo.

Ao colega Ramon Lago, pelo apoio durante a execuo do Trabalho.

Aos demais colegas e amigos da UFBA que ajudaram a enfrentar e superar

as dificuldades at o fim do Trabalho.


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Maurcio Nunes Santanav

Pior que no terminar uma viagem nunca partirAmyr Klink


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Maurcio Nunes Santanavi

RESUMO

Este trabalho trata-se de um estudo de um sistema de energia elica de

pequeno porte, desde a sua instalao at a sua operao. Avalia-se o

dimensionamento do sistema, composto por um aerogerador de 1kW, um

controlador de carga, um banco de baterias de 24V e um inversor DC/AC, levando-

se em conta a carga a ser alimentada. feito ainda um estudo da viabilidade

econmica do sistema diante do potencial elico do local da instalao.

Palavras-Chave:

Energia elica, aerogerador de pequeno porte, gerao de energia


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Maurcio Nunes Santanavii

LISTA DE SMBOLOS

Fc: Fora de Coriolis;

: velocidade angular da terra;

v: velocidade da partcula;

: latitude;

PH: gradiente de presso;

: massa especfica do ar;

P: diferena de presso sobre o volume de ar;

X: comprimento do volume de ar;

P: potncia disponvel no vento;

E: energia cintica do vento;

t: tempo;

: fluxo de massa de ar;V1: velocidade do vento;

A: rea da seo transversal;

Cp: coeficiente aerodinmico de potncia do rotor;

: rendimento do conjunto gerador/trnasmisses mecnicas e eltricas;

R: constante do ar;

Pa: presso atmosfrica;

T: temperatura ambiente;

z: altitude do local;

Q: vazo de ar que atravessa a turbina elica;

v: velocidade do vento livre, antes da turbina;

Ae: rea da seo transversal do tubo de vazo do ar na entrada do rotor da turbina;


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Maurcio Nunes Santanaviii

ve : velocidade do vento na seo do tubo de vazo na entrada na turbina;

As rea da seo transversal do tubo de vazo do ar na sada do rotor da turbina;

vs : velocidade do vento na seo do tubo de vazo na sada da turbina;vi : velocidade do vento registrada;

n: nmero de registros;

i: identificao do registro

f(v): funo densidade de probabilidade

Fa: fora de arraste aerodinmico;

Ca: coeficiente de arasto;

Fs : fora de sustentao aerodinmica;

Fc: fator de capacidade;

k: fator de forma;

c: fator de escala;

Lmd: indutncia de magnetizao equivalente no eixo d

Lmq: indutncia de magnetizao equivalente no eixo q


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Maurcio Nunes Santanaix

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

EPUFBA: Escola Politcnica da UFBA;

HP: Horse Power;

IVDN: Indice de vegetao por diferenas normalizadas ;

Rpm: Rotaes por minuto;

W: oeste;

S: sul;

E: leste;

N: norte;

RN: Rio Grande do Norte;K: Kelvin;

EAG: energia anual gerada;

DC: corrente contnua;

AC: corrente alternada;


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Maurcio Nunes Santanax

SUMRIO

CAPTULO 1 ....................................................................................................................................................... 11. INTRODUO ............................................................................................................................................ 1

1.1. Objetivos ............................................................................................................................................. 21.1.1. Objetivos especficos.................................................................................................................. 2

1.2. Justificativa........................................................................................................................................ 21.3. Metodologia ........................................................................................................................................ 3

CAPTULO 2 ....................................................................................................................................................... 42. ENERGIA ELICA .................................................................................................................................... 4

2.1. A evoluo e aplicabilidades ......................................................................................................... 42.1.1. Os Aerogeradores no sculo XX............................................................................................. 8

2.2. A energia elica no Brasil ............................................................................................................ 102.2.1. Potencial elico brasileiro....................................................................................................... 112.2.2. Potencial elico na Bahia....................................................................................................... 12

CAPTULO 3 ..................................................................................................................................................... 153. O VENTO.................................................................................................................................................... 15

3.1. Causas do vento ............................................................................................................................. 163.2. Fora de Coriolis............................................................................................................................. 173.3. Tipos de Vento................................................................................................................................. 183.3.1. Ventos globais........................................................................................................................... 183.3.2. Ventos de superfcie................................................................................................................. 203.3.3. Ventos Locais............................................................................................................................. 20

3.4. A potncia do vento ....................................................................................................................... 213.5. Fatores que influenciam a energia do vento.......................................................................... 233.5.1. A altitude e a temperatura ambiente.................................................................................. 233.5.2. A velocidade do vento............................................................................................................. 263.5.3. rea de varrimento do rotor................................................................................................... 27

3.6. Extrao da potncia do vento e Mximo de Betz ............................................................... 273.7. Armazenamento de energia......................................................................................................... 32


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Maurcio Nunes Santanaxi

CAPTULO 4 ..................................................................................................................................................... 324. O COMPORTAMENTO PROBABILSTICO DO VENTO ............................................................. 32

4.1. A velocidade do vento.................................................................................................................... 334.1.1. Distribuio de frequncia da velocidade do vento........................................................ 334.1.2. Funo densidade de probabilidade do vento................................................................. 35

CAPTULO 5 ..................................................................................................................................................... 375. TURBINAS ELICAS ............................................................................................................................. 37

5.1. Tipos de turbinas ........................................................................................................................... 375.1.1. Turbinas de arraste................................................................................................................. 375.1.2. Turbinas de sustentao........................................................................................................ 38

5.2. Orientao do eixo de turbinas elicas ................................................................................... 405.3. Nmero de ps em turbinas elicas ......................................................................................... 415.4. Controle de potncia e velocidade das turbinas elicas .................................................... 425.4.1. Controle por estol...................................................................................................................... 425.4.2. Controle de passo..................................................................................................................... 435.4.3. Controle por estol ativo........................................................................................................... 45

CAPTULO 6 ..................................................................................................................................................... 456. AEROGERADORES ................................................................................................................................ 45

6.1. O princpio da gerao elica ..................................................................................................... 466.2. Partes do aerogerador GERAR 246........................................................................................... 466.2.1. Ps/Captador Elico................................................................................................................ 466.2.2. Alternador................................................................................................................................... 476.2.3. Leme Direcionador.................................................................................................................... 476.2.4. Cabea Rotativa........................................................................................................................ 476.2.5. Controlador de Carga.............................................................................................................. 47

6.3. Caractersticas tcnicas do aerogerador GERAR 246 ........................................................ 506.4. O sistema de segurana do aerogerador................................................................................. 526.5. Aerogerador com gerador sncrono de ms permanentes ................................................ 536.5.1. Performance de um aerogerador.......................................................................................... 546.5.2. Fator de capacidade de um aerogerador........................................................................... 55

6.6. O sistema elico de gerao de energia de pequeno ........................................................... 56porte ................................................................................................................................................................. 566.6.1. As baterias................................................................................................................................. 576.6.2. O inversor de frequncia......................................................................................................... 58

CAPTULO 7 ..................................................................................................................................................... 60


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Maurcio Nunes Santanaxii

7. MONTAGEM DE UM AEROGERADOR ............................................................................................ 607.1. A Montagem do Gerar 246 e do quadro eltrico ................................................................... 60

CAPTULO 8 ..................................................................................................................................................... 658. DIMENSIONAMENTO............................................................................................................................ 659. ESTUDO DA VIABILIDADE ECONMICA ..................................................................................... 66TABELA 9.1 CUSTOS PARA CARREGAMENTO DE BATERIAS ................................................ 6910.CONCLUSO E DISCUSSO............................................................................................................... 69REFERNCIAS ................................................................................................................................................ 70


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Maurcio Nunes Santana 1

Captulo 1

1.Introduo

O uso da energia imprescindvel para as necessidade da manuteno da

vida. A humanidade evoluiu de um consumo de cerca de 2000 Kcal/dia para um

consumo de cerca de 230.000 Kcal/dia. Se o consumo energtico continuar

evoluindo neste ritmo, os recursos finitos disponveis no planeta podero se exaurir.

Alm do consumo desenfreado de energia, a produo de energia a partir de

combustveis fsseis revela uma dependncia de recursos energticos no

renovveis. A estrutura da matriz da oferta de energia entre os anos de 1973 e 2002

pouco se alterou, mostrando uma forte predominncia de recursos no renovveis,

como o petrleo, o gs e outros.

Diante deste contexto, contudo, o Brasil encontra-se em posio favorvel,

possuindo 44,5% da sua oferta interna de energia oriunda de fontes renovveis. O

Brasil dispe de significativo potencial de energia renovvel, o que torna possvel

conseguir melhores condies de sustentabilidade na matriz energtica brasileira. Opotencial elico brasileiro, por exemplo, excluindo off-shore, de 143 GW.

Na Bahia, conforme o BEN 2007, a demanda de energia evoluiu de 8

milhes de TEP em 1980 para 9 milhes em 2006. Durante este perodo, apesar do

crescimento significativo da participao de energia hidreltrica, a participao da

energia renovvel declinou de 55,4% para 37,9%. Essa evoluo desfavorvel se

deve ao crescimento significativo da participao do petrleo e do gs natural, bem

como do declnio da participao da biomassa na matriz energtica baiana.[16]


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Estes dados revelam que em relao participao de energia renovvel a

evoluo da matriz energtica baiana se mostra mais desfavorvel que a matriz

energtica brasileira. A Bahia possui ainda potencial para gerao de 14.500 MW de

energia elica. As possibilidades de participao de fontes renovveis na matrizenergtica so promissoras em curto e mdio prazo. [16]

1.1. ObjetivosEste trabalho tem como objetivo o estudo da implantao de um sistema

elico de pequeno porte, desde sua instalao, at a sua operao.

Ser estudado o potencial da regio, o processo de montagem, o

funcionamento e o aproveitamento do aerogerador, desta forma analisar-se- a

gerao de energia eltrica atravs da fora do vento e o atendimento da carga que

ser escolhida.

1.1.1.Objetivos especficos

Os objetivos especficos deste trabalho so a difuso dos conceitos inerentes

ao projeto de sistema elico de pequeno porte, uma melhor compreenso da

metodologia para a instalao de um aerogerador, anlise da gerao do sistema e

do consumo de energia, estudo da viabilidade da integrao do gerador rede

eltrica.

1.2. JustificativaA energia eltrica um insumo essencial vida humana. A gerao de

energia eltrica, desta forma, faz-se primordial para o atendimento das

necessidades da sociedade que cada vez mais depende de energia. O grande desafio

da humanidade hoje , contudo, buscar solues que causem menos impactos

ambientais possveis ao se gerar energia, uma vez que os padres atuais de

produo e consumo energticos baseiam-se em fontes fsseis, responsveis pelas

emisses de poluentes locais e gases de efeito estufa.


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A transformao dos padres atuais devem vir com o estmulo e

investimentos na utilizao de fontes renovveis de energia, as quais encontram no

Brasil, particularmente, condies favorveis em relao ao resto do mundo. A

matriz energtica brasileira formada atualmente por 45% de fontes renovveis,contra apenas 14% no mundo. Grande parte desta matriz energtica, deve-se

energia hidrulica, porm outras alternativas, como a energia elica e solar, devem

ser incentivadas a fim de compensar os meses de baixa produo hidreltrica,

compreendidos no chamado peroco seco (maio a novembro), quando os

reservatrios esto mais baixos devido reduo das chuvas.

1.3. MetodologiaSer realizada inicialmente uma reviso da literatura relacionada ao tema,

incluindo livros, artigos cientficos, manuais de instalao, a fim de arraigar

conceitos e conhecer a histria evolutiva da energia elica e suas aplicaes. Uma

visita a uma instalao semelhante dever ser feita para que j se possa

familiarizar-se com o tipo e o funcionamento do equipamento a ser estudado.

Aps esta fase, iniciar-se- a fase de acompanhamento da montagem do

aerogerador, e, tambm, dos ensaios no equipamento. Em seguida, sero feitas

medies no sistema e seu acompanhamento, conforme seja necessrio.

Sero feitas as devidas anlises das medies e de aplicaes do sistema

para se definir a carga que ser alimentada. Por fim, pretende-se fazer um estudo

da gerao e consumo do perodo das medies, uma anlise da possibilidade de

conexo do gerador rede eltrica e um estudo da aplicabilidade desse tipo de

sistema para alguns tipos de consumidores.


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Captulo 2

2.Energia ElicaA energia elica a energia cintica do ar em movimento. O vento

varia tanto em velocidade de escoamento como na direo do

deslocamento e para o seu aproveitamento energtico, precisa-se do

estudo do seu comportamento espacial e temporal. Neste captulo,

ser mostrada a evoluo das aplicaes da energia elica e os

potenciais elicos no Brasil e na Bahia.

2.1. A evoluo e aplicabilidadesO desenvolvimento das formas mais primitivas de moinho de vento veio com

a dificuldade encontrada pelo homem para realizar tarefas como a moagem dos

gros e o bombeamento de gua. Tais tarefas exigiam cada vez mais esforo braal emanual e, com o avano da agricultura, eram cada vez mais demandadas. O modelo

mais primitivo de moinho de vento foi utilizado, portanto, para beneficiamento de

produtos agrcolas e era composto por um eixo vertical acionado por uma longa

haste presa a ele. Esta haste era movida por homens ou animais que caminhavam

em crculos numa gaiola. Outra tecnologia existente e que tambm era utilizada

para beneficiamento da agricultura consistia em uma gaiola cilndrica conectada a

um eixo horizontal, dentro da qual era exercida a fora motriz por homens ou

animais que caminhavam.

Estes tipos de sistemas foram aperfeioados com a substituio da fora de

homens ou de animais pela fora motriz de cursos dgua, o que resultou no

surgimento das rodas dgua. Historicamente, o uso das rodas dgua precede a

utilizao dos moinhos de ventos devido a sua concepo mais simplista de

utilizao de cursos naturais de rios como fora motriz. Como no se dispunha de

rios em todos os lugares para o aproveitamento em rodas dgua, a percepo do

vento como fonte natural de energia possibilitou o surgimento de moinhos de ventos

substituindo a fora motriz humana ou animal nas atividades agrcolas. [5].


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Data-se de 200 A.C na Prsia o primeiro registro histrico da utilizao da

energia elica para bombeamento de gua e moagem de gros. Este tipo de moinho

de vento de eixo vertical difundiu-se pelo mundo islmico, tendo sido utilizado por

vrios sculos. Acredita-se que antes da inveno dos cata-ventos na Prsia, aChina (por volta de 2000 A.C.) e o Imprio Babilnico (por volta 1700 A.C) tambm

utilizavam cata-ventos rsticos para irrigao [5]).

Os cata-ventos primitivos apresentavam vantagens importantes para o

desenvolvimento das necessidades bsicas de bombeamento dgua ou moagem de

gros, mesmo possuindo baixa eficincia devido a suas caractersticas

rudimentares.

Pouco se sabe sobre o desenvolvimento e uso dos cata-ventos primitivos daChina e Oriente Mdio como tambm dos cata-ventos surgidos no Mediterrneo.

Um importante desenvolvimento da tecnologia primitiva foram os primeiros modelos

a utilizarem velas de sustentao em eixo horizontal encontrados nas ilhas gregas

do Mediterrneo. [5]

A introduo dos cata-ventos na Europa deu-se, principalmente, no retorno

das Cruzadas h 900 anos. Os cata-ventos foram largamente utilizados e seu

desenvolvimento bem documentado. As mquinas primitivas persistiram at o

sculo XII quando comearam a ser utilizados moinhos de eixo horizontal na

Inglaterra, Frana e Holanda, entre outros pases. Os moinhos de vento de eixo

horizontal do tipo holands foram rapidamente disseminados em vrios pases da

Europa. Durante a Idade Mdia, na Europa, a maioria das leis feudais inclua o

direito de recusar a permisso construo de moinhos de vento pelos

camponeses, o que os obrigava a usar os moinhos dos senhores feudais para a

moagem dos seus gros. [5]

Dentro das leis de concesso de moinhos tambm se estabeleceram leis que

proibiam a plantao de rvores prximas ao moinho assegurando, assim, o direito

ao vento. Os moinhos de vento na Europa tiveram, sem dvida, uma forte e

decisiva influncia na economia agrcola por vrios sculos. Com o desenvolvimento

tecnolgico das ps, sistema de controle, eixos etc, o uso dos moinhos de vento

propiciou a otimizao de vrias atividades utilizando-se a fora motriz do vento. [5]


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Figura 1. Principais marcos do desenvolvimento da energia elica entre os sculos XI e XIX[5]

O uso de moinhos de vento em larga escala esteve intimamente ligado com

a drenagem de terras cobertas pelas guas na Holanda entre os sculos XVII e XIX.

A rea de Beemster Polder, que ficava trs metros abaixo do nvel do mar, foi

drenada, entre os anos de 1608 e 1612, por 26 moinhos de vento de at 50 HP.

Posteriormente, a regio de Schermer Polder tambm foi drenada por 36 moinhos

de vento a uma vazo total de 1.000 m/min durante 4 anos.

Os moinhos de vento na Holanda tiveram uma grande variedade de

aplicaes. O primeiro moinho de vento utilizado para a produo de leos vegetais

foi construdo em 1582. Com o surgimento da imprensa e o rpido crescimento da

demanda por papel, foi construdo, em 1586, o primeiro moinho de vento para

fabricao de papel. Ao fim do sculo XVI, surgiram moinhos de vento para acionar

serrarias para processar madeiras provenientes do Mar Bltico. Em meados do

sculo XIX, aproximadamente 9.000 moinhos de vento existiam em pleno

funcionamento na Holanda. O nmero de moinhos de vento na Europa nesse

perodo mostra a importncia do seu uso em diversos pases como a Blgica (3.000

moinhos de vento), Inglaterra (10.000 moinhos de vento) e Frana (650 moinhos de

vento na regio de Anjou) [5].


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Figura 2.2Moinho de vento da Holanda

Um marco importante para a energia elica na Europa foi a Revoluo

Industrial no final do sculo XIX. Neste perodo, deu-se incio o declnio do uso da

energia elica na Holanda com o surgimento da mquina a vapor. No incio do

sculo XX, havia apenas 2.500 moinhos de vento em funcionamento, sendoreduzidos para menos de 1.000 no ano de 1960. Criou-se, ento, em 1923, uma

sociedade holandesa para conservao, melhoria do desempenho e utilizao mais

efetiva dos moinhos holandeses, j que havia grande preocupao com a extino

dos moinhos de vento devido ao advento da Revoluo Industrial.

A utilizao de cata-ventos de mltiplas ps destinados ao bombeamento

dgua desenvolveu-se de forma efetiva, em diversos pases, principalmente nas

suas reas rurais. Acredita-se que, desde a segunda metade do sculo XIX, mais de

6 milhes de cata-ventos j teriam sido fabricados e instalados somente nos

Estados Unidos para o bombeamento dgua em sedes de fazendas isoladas e para

abastecimento de bebedouros para o gado em pastagens extensas. Os cata-ventos

de mltiplas ps foram usados tambm em outras regies como a Austrlia, Rssia,

frica e Amrica Latina. O sistema se adaptou muito bem s condies rurais tendo

em vista suas caractersticas de fcil operao e manuteno. Toda a estrutura era

feita de metal e o sistema de bombeamento era feito por meio de bombas e pistes,

favorecidos pelo alto torque fornecido pela grande nmero de ps. At hoje essesistema largamente usado em vrias partes do mundo para bombeamento dgua.

[5].


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A Segunda Guerra Mundial (1939-1945) foi tambm um grande marco para

o desenvolvimento dos aerogeradores de mdio e grande porte, pois os pases em

geral, nesta poca, visavam economia de combustveis fsseis. Aps a guerra, os

combustveis fsseis, contudo, voltaram a predominar mundialmente. Elesenfrentavam agora a concorrncia das grandes usinas hidreltricas, que se

tornaram bastante competitivas economicamente e os aerogeradores passavam a

ser construdos, em grande parte, para fins de pesquisa, visando aprimoramento

das tcnicas aeronuticas, no desenvolvimento de ps e aperfeioamentos nos

sistemas de gerao.

Pases como Inglaterra, Dinamarca, Frana e Alemanha realizaram grandes

estudos e experimentos nesse perodo e foram pioneiros no desenvolvimento dealguns tipos de aerogeradores. Na Inglaterra, por exemplo, desenvolveu-se um raro

modelo de aerogerador de 100kW com ps ocas e com a turbina e o gerador na base

da torre. A Dinamarca apresentou um dos crescimentos na gerao de energia

elica mais significativos na Europa, o que ainda notado at hoje, sendo que 20%

da energia produzida no pas advm da fora dos ventos. Com o sucesso da

produo de aerogeradores de pequeno porte, na faixa de 45kW na Dinamarca,

Johannes Juul ousou no projeto de um aerogerador de 200kW com 24m de

dimetro de rotor, instalado nos anos de 1956 e 1957 na ilha de Gedser. A Franaempenhou-se nas pesquisas de aerogeradores conectados rede eltrica e tambm

foi responsvel por diversos aerogeradores de grande porte, como um equipamento

que operava com potncia de 1.085kW a vento de 16,5m/s, apresentava trs ps

com um rotor de 35m. Alm da robustez, estes aerogeradores provavam a

possibilidade da sua inteligao rede de distribuio eltrica. Na Alemanha, foi

construdo um aerogerador que operou com o maior nmero de inovaes

tecnolgicas na poca. O aerogerador de 34m de dimetro operava com potncia de

100kW, a ventos de 8m/s. Possua rotor leve em materias compostos, duas ps a

jusante da torre, sistema de orientao amortecida por rotores laterais e torre de

tubos estaida. Ele operou por mais de 4.000 horas entre 1957 e 1968 e teve

problemas de fadiga atenuados devido composio das ps. Quando o modelo foi

desmontado em 1968 por falta de verbo para prosseguimento do projeto, verificou-

se que suas ps ainda apresentavam perfeitas condies de uso.


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Figura 2.3Marcos no desenvolvimento da energia energia elica no sculo XX [5]

2.2. A energia elica no BrasilA utilizao da energia elica no Brasil atualmente voltada

majoritariamente para a gerao de energia eltrica para bombeamento de gua,

aquecimento de ambientes, operao de mquinas e equipamentos diversos,

moagem de gros, usos domsticos ou de pequenas empresas, etc.

Embora a utilizao de recursos elicos tenha sido historicamente

destinada movimentao de cata-ventos para o bombeamento de gua, estudos

recentes indicam um potencial elico ainda no explorado de 143 GW (CEPEL,

2005). O Brasil possui atualmente potncia instalada de 547 MW, o que no chega

a 1% da capacidade instalada mundial, que de aproximadamente 121.000 MW.

Apesar da nfima contribuio, quando comparado ao cenrio mundial, o pas temapresentado um crescimento significativo, passando de aproximadamente 30 MW

em 2004 para os atuais 547 MW. O prximo leilo de energia elica, marcado para

14 de Dezembro de 2009, ir determinar se este crescimento vai se manter.

No Brasil as reas de maior potencial elico so o litoral do Nordeste e a

Chapada Diamantina na Bahia. Alm dessas localidades, algumas regies de Minas,

do Paran, Rio Grande do Sul e do nordeste do Rio de Janeiro tambm possuem

potencial elico. O Nordeste, regio de maior capacidade de aproveitamento elico,possui um potencial elico estimado de 75 GW o que corresponde a uma

capacidade de gerao de 144,3 TWh. [2] [5]


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2.2.1.Potencial elico brasileiro

A distribuio dos ventos sobre o Brasil controlada pelos aspectos da

circulao geral planetria de atmosfera prxima, conforme a figura abaixo. [2]

Os sistemas de alta presso Anticiclone Subtropical do Atlntico Sul e do

Atlntico Norte e a faixa de baixas presses da Depresso Equatorial so os que

influenciam mais.

De oeste a leste do Norte do Brasil e sobre o oceano Atlntico adjacente,

estende-se a posio mdia da Depresso Equatorial. A localizao e orientao da

Bacia Amaznica coincidem com esta Depresso que geralmente uma zona de

pequenos gradientes de presso e ventos fracos. O perfil geral de circulao

atmosfrica induz ventos de leste ou nordeste sobre o territrio nacional ao norte da

Bacia Amaznica e no litoral do nordeste. Os ventos alsios de leste a sudeste

predominam entre a Depresso Equatorial e a latitude de 10 S. Ao sul desta

latitude at o extremo sul do Brasil, atual o centro de alta presso Anticiclone

Subtropical Atlntico, os deslocamentos de massa polares e a Depresso do

nordeste da Argentina.

Este perfil geral de circulao varia de acordo com a geometria, altitude de

terreno, vegetao e distribuio de superfcies de terra e gua. Tais fatores queatuam em escala menor podem alterar as condies de vento locais que se afastam

consideravelmente do perfil geral da larga escala da circulao atmosfrica.

A regio geogrfica em que est inserido o sistema elico a ser estudado a

Zona Litornea Nordeste Sudeste. Esta zona est compreendida entre o Cabo de

So Roque (RN) e o estado do Rio de Janeiro e tem aproximadamente 100km de

largura. As velocidades mdias anuais variam de 8-9 m/s na poro norte a uma

faixa de 3,56 m/s sobre grande parte da costa que se extende at o Sudeste. Nosul do Esprito Santo e nordeste do Rio de Janeiro, contudo, a velocidade dos

ventos atinge 7,5 m/s. Isso efeito do bloqueio de escoamento lestenordeste feito

pelas montanhas imediatamente a oeste da costa. Acontece, dessa forma, uma

acelerao por obstculo, j que o ar acelera-se para o sul para aliviar o acmulo de

massa causado pelo bloqueio das formaes montanhosas.


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2.2.2.Potencial elico na Bahia

A Bahia possui um potencial elico de 5,6 GW, ocupando uma rea de

2.798 km, o que possibilita uma gerao anual estimada de 12,32 TWh/ano para

ventos com velocidade mdia anual de 7 m/s a uma altura de cinquenta metros.

Para uma altura de setenta metros, o potencial elico eleva-se para 14,46 GW,

ocupando uma rea de 7.231 km, o que possibilita uma gerao anual de 31,9

TWh/ano para ventos com velocideade mpedia anual de 7 m/s. [16]

2.2.2.1. Aspectos geofsicos do estado da BahiaA Bahia ocupa a regio mais meridional do nordeste do Brasil. No estado

vivem mais de 14 milhes de pessoas distribudas numa rea de 567.692,669 km,

a 5 maior extenso territorial entre os estados brasileiros de acordo com o IBGE

2005. O territrio baiano se situa entre as latitudes 18 2007S e 83200S, e

entre as longitudes 4636 59W e 37 20 37W.

A Bahia se situa na regio de transio de regimes de ventos distintos. Mais

ao norte circulam os ventos alsios que convergem para a Depresso Equatorial e

mais ao sul predomina a dinmica da interao entre o centro de altas presses

Anticiclone Subtropical do Atlntico Sul e as incurses de massas polares. [3]

A faixa atlntica da Bahia possui uma rea extensa, sem grandes elevaes

e aerodinamicamente rugosa pela densa cobertura vegetal. Na parte central do

estado, surgem chapades de orientao norte-sul, com grandes elevaes e onde

ocorrem algumas reas importantes de baixa rugosidade. Das chapadas at o vale

do Rio So Francisco, o relevo desce e sobe suavemente, em seguida, para o

extremo oeste, onde h uma extensa rea plana com altitudes prximas a 1000m,

recoberta por agricultura intensiva e pouco rugosa. [3]

Ao longo da extenso litornea da Bahia, o relevo no constitui obstculo progresso dos ventos e brisas marinhas, pois predominam altitudes inferiores

centena de metros e em raros locais a altitude ultrapassa 300m. No entanto, ao

longo de uma ampla faixa junto costa, predomina uma vegetao adensada e

relativamente alta floresta tropical pluvial e vegetao secundria, cuja

rugosidade reduz a intensidade dos ventos mdios de superfcie. [3]

A figura abaixo apresenta a sazonalidade dos ndices de precipitao,

temperatura mdia e ndice de vegetao por diferenas normalizadas (IVDN). Os

dados de precipitao e temperaturas mdias so oriundos de sries climatolgicas


25/83



de 60 anos, enquanto os ndices de vegetao se referem ao perodo entre 1985 e

1988. [3]

Figura 2.4 - Sazonalidade dos ndices de precipitao, temperatura mdia e ndices devegetao

importante ressaltar a distribuio pluviomtrica homognea ao longo do

ano para a faixa atlntica da Bahia, principalmente na parte sul, o que resulta

tambm em ndices de vegetao mais estveis nesta regio. Esta regio apresenta

os maiores ndices pluviomtricos do Estado, superiores a 1.200 mm anuais. [3]

A distribuio das temperaturas mdias apresentam, naturalmente,

correlao com o relevo, mas so dominadas por outros fatores regionais. As

temperaturas mais elevadas da Bahia se encontram no vale do Rio So Francisco,

regio de menor altitude e ao abrigo dos chapades centrais. [3]


26/83



2.2.2.2.

Regime de ventos na BahiaOs regimes de ventos resultam da sobreposio de mecanismos

atmosfricos sinticos e de mesoescala, globais e regionais, respectivamente.

Quanto aos regimes globais, a Bahia se encontra na latitude de transio entre dois

mecanismos importantes: ao Sul, o Anticiclone Subtropical do Atlntico influencia

predominantemente perturbado pela dinmica das ondas de massa polares que

intermitente. Ao norte, os ventos alsios exercem uma maior influncia de forma

mais constante. Estas dinmicas convergem quanto direo, predominante entre

Nordeste e Sudeste, como mostrado abaixo.

Figura 2.5 - Principais mecanismos sinticos de influncia nos regimes de vento na Bahia

O territrio da Bahia, por ser extenso, alterna diferentes mecanismos

regionais, especialmente brisas marinhas/terrestres e brisas montanha/vale. Estas

brisas, com ciclos tipicamente diurnos, so perceptveis nas velocidades e direes

de vento. O Estado da Bahia apresenta ventos mximos no segundo semestre, nas

estaes do inverno e primavera como pode-se ver a seguir na figura.


27/83



Figura 2.6 - Potencial elico sazonal [3]

Captulo 3

3.O VentoO vento o ar em movimento, provocado pelo aquecimento desigual da

terra. Neste captulo sero mostrados os tipos de vento, a potncia do vento,

fatores que influenciam a energia elica e formas de armazenamento.


28/83



3.1. Causas do ventoO vento a principal caracterstica da movimentao das massas de ar

existentes na atmosfera e o seu surgimento est diretamente relacionado svariaes das presses de ar. Estas variaes so originadas termicamente atravs

da radiao solar e das fases de aquecimento das massas de ar.

Nos locais mais quentes, o ar dilata-se, ficando mais leve e rarefeito, e sobe

resultando numa queda de presso atmosfrica no local. J nos locais mais frios, o

ar se condensa ficando mais pesado, com maior presso, tendendo a escapar para

as reas mais vazias, como os locais mais quentes, dando origem aos

deslocamentos na forma de ventos.

Em torno de 1 a 2% da energia solar convertida em energia dos ventos.

As regies onde esse tipo de converso de energia inicia-se so nas regies

existentes na linha do Equador, onde a latitude 0 e ocorre um maior

aquecimento nas massas de ar e posteriormente estendida para as regies norte e

sul do planeta. [1]

O sol aquece a superfcie da terra de forma desigual, provocando os fluxos

de vento. O sol tem uma temperatura na superfcies em torno de 5.600 K e fornece

energia em forma de radiao. A energia recebida pela terra em torno de 1,39

kW/m.

Os gases da atmosfera so quase transparentes para os comprimentos da

onda da radiao solar, que variam de 0,15 a 4 m e, assim, grande parte da

energia do sol penetra at a superfcie da terra. Parte da radiao solar difundida

pela atmosfera devido presena de poeira, gotculas de gua, alm das nuvens.

Pouco menos da metade da radiao incidente absorvida e outra parte

refletida, atravs da emisso de uma radiao para a atmosfera, chamada de

radiao terrestre. Esta radiao tem comprimento de onda na faixa de 5 a 20 m,cuja variao depende da superfcie, ou seja, algumas superfcies tm uma maior

absoro de energia que outras. O ndice de absoro definido como albedo,

relao entre a radiao refletida pela superfcie e o fluxo incidente.

A parte da energia absorvida pela superfcie ainda parcialmente

transferida atmosfera na forma de calor, seja por conduo ou por conveco. A

conduo, no entanto, limitada somente camada muito superficial de ar, com

cerca de um milmetro de espessura, que se adere superfcie da terra. Acima desta

camada o efeito da conduo desprezvel comparado aos processos de radiao e

conveco. A conveco envolve o intercmbio vertical de massa de ar, que pode ser


29/83



livre, ou natural, como quando a densidade da massa de ar diferente ao seu

circunvizinho e movida pela fora de empuxo, ou ainda pode ser forada, como

pela passagem de ar sobre o solo rugoso. Normalmente o movimento pela

combinao de ambos. Este movimento manifestado como movimento dediscretas massas de ar. [1]

3.2. Fora de CoriolisO efeito de Coriolis, tambm chamado de fora de Coriolis, a acelerao

aparente provocada pela rotao da terra e que tende a desviar todo objeto

movendo-se livremente. Esta fora muito importante, pois afeta o movimento do

vento, alterando sua velocidade e, principalmente, sua direo.

A terra uma esfera que gira em torno de seu prprio eixo a uma velocidade

tangencial de 1.600 km/h, no equador. Logo, um objeto situado na latitude 0 tem

uma velocidade tangencial maior que outro objeto situado mais prximo a um dos

plos. A rotao dos objetos , contudo, a mesma, alterando-se o raio de giro, j que

ao aproximar-se de um dos plos, um objeto aproxima-se do eixo de giro.

Assim, uma massa que se desloque no sentido do plo ao equador, ou vice-

versa, ter seu momento angular alterado. Porm, de acordo com a lei da

conservao da quantidade de movimento, esta massa ao sofrer alterao em uma

direo, ir variar tambm em outra direo. Esta variao ser na proporo

inversa o que resultar em uma quantidade de movimento transversal ao seu

deslocamento. Em resumo, uma massa que se desloque no sentido do plo ao

equador ter um movimento circular com rotao no sentido oposto ao da terra,

enquanto que uma massa se deslocando no sentido inverso, movimentar-se-

circularmente no mesmo sentido de rotao da terra.

A fora de Coriolis, por unidade de massa calculada pela expresso

abaixo:

= 2. . . (3.1)Onde: = velocidade angular da terra [7,29.105 rad/s]

v = velocidade da partcula [m/s]

= latitude []


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O efeito da fora de Coriolis sobre o vento fazer com que este apresente

movimentos tipicamente circulares, ou em espirais, em torno dos centros de

presso, que tendem a provocar deslocamentos de massas de ar entre o equador e

os plos. A fora de Coriolis foi calculada para o local em que o aerogerador foiinstalado. Sabendo-se que a latitude do local 1259, a fora de

aproximadamente 3,28.10-5 N. Uma fora baixa tendo em vista a baixa latitude em

que o estamos localizados.

3.3. Tipos de Vento

3.3.1.Ventos globais

No equador a fora de Coriolis zero, visto que a latitude zero ( = 0).

Sendo assim, qualquer gradiente de presso horizontal mover as partculas de ar

em direo baixa presso. Como no h fora de oposio ao movimento, exceto o

atrito, as partculas se movero da regio de alta presso para a de baixa presso.

Eventualmente, o fluxo reduzir o gradiente de presso a zero. Centros de alta oubaixa presso, contudo, no se mantm prximos ao equador.

Figura 3.1 - Movimento de uma partcula de ar devido s foras de gradientes de presso(PH) e s foras de Coriolis (FC) [1]

A figura acima ilustra o movimento de uma partcula de ar estacionada no

ponto A, que encontra-se numa regio de alta presso atmosfrica no hemisfrio


31/83



Norte. Devido fora de gradiente de presso PH, dada pela equao abaixo, o ar

movimentado em direo zona de baixa presso atmosfrica. No entanto, o

movimento do ar faz que a fora de Coriolis FC (equao 3.1) aja no sentido do

movimento de rotao da terra e, assim, o ar gira nesta direo at que o equilbriode foras se estabelea.

= 1 . (3.2)

Quando o equilbrio estabelecido, tem-se:

PH = FC (3.3)

Igualando-se as equaes 3.1 e 3.3, obtem-se:

1

. = 2. . . (3.4)

Onde: = massa especfica do ar [kg/m];

P = diferena de presso sobre o volume de ar [N/m];

X = comprimento do volume de ar [m];

= velocidade angular da terra [7,29.105 rad/s];

v = velocidade de uma partcula [m/s]

= latitude []

O vento que satisfaz a equao acima chamado de vento geostrfico. Este

vento ocorre somente na atmosfera superior, quando no h atrito do solo e apenas

aparecem as foras de Coriolis e de gradiente de presso.

Na figura 3.1 est representada uma situao de equilbrio entre as forasde gradiente de presso PH e de Coriolis FC. Esta situao ocorre com o vento

movendo-se em sentido paralelo s linhas isbaras, que so linhas de presso

constante e, desta forma, o vento seguir o sentido indicado na figura at que o

equilbrio de foras termine. O ingresso de massa de ar em outra zona de presso

atmosfrica pode alterar o equilbrio, assim como a mudana da fora de Coriolis

alteraria o equilbrio, pela alterao da latitude () ou da velocidade do ar. [1]


32/83



3.3.2.Ventos de superfcie

Os ventos so muito influenciados pela superfcie terrestre at altitudes de

100 metros. A intensidade do vento reduzida pela rugosidade da superfcie da

terra e pelos obstculos. As direes perto da superfcie so diferentes das dos

ventos geostrficos, devido rotao da terra. [1]

3.3.3.Ventos Locais

As circulaes tercirias de vento so em pequena escala caracterizadas por

ventos locais. Alguns exemplos de circulaes tercirias so: brisas martima e

terrestre, ventos em vales e montanhas, nevoeiros, temporais e tornados. Vamos

nos ater aqui aos dois primeiros exemplos por serem mais atuantes na regio em

estudo.

A direo do vento influenciada pela soma dos efeitos globais e locais.

Quando os ventos globais so suaves, os locais podem dominar o regime de ventos.

As brisas martimas e terrestres so circulaes de ar que ocorrem em reas

costeiras quando as diferenas trmicas entre a terra e a gua so suficientemente

grandes. Durante o dia, o ar sobre a terra reflete mais energia para a atmosfera do

que o ar sobre a gua. Assim a presso do ar sobre a superfcie da gua

relativamente maior que sobre a terra. Desta forma, o ar movimenta-se da regio de

alta para a de baixa presso, resultando na brisa martima, como mostrado na

figura abaixo.

Figura 3.2 - Brisa martima durante o dia [4]

noite, o fenmeno inverte-se, e o movimento do ar no sentido da terra

para a gua, conhecido como brisa terrestre. Este movimento se deve ao fato de

noite a terra esfriar-se rapidamente, tornando-se mais fria que a gua. Assim, a


33/83



diferena de presso entre a terra e a gua inverte-se, invertendo-se tambm o fluxo

de ar. Como as diferenas de temperatura noite so menores, a brisa terrestre

geralmente mais fraca. A seguir, a figura ilustra a brisa terrestre.

Figura 3.3 - Brisa terrestre durante a noite

As brisas martimas e terrestres tambm podem ocorrer nas costas de

grandes lagos. Os ventos em vales e montanhas so causados por diferenas de

presso e relevos. Durante o dia, o ar morno aquecido pela terra sobe a montanha,

devido troca com o ar frio, mais pesado, que desce at o fundo do vale. noite o

processo invertido, pois agora a terra e rocha das montanhas so esfriadas, mas a

presso maior no vale. [4]

3.4. A potncia do ventoUma turbina elica capta uma parte da energia cintica do vento, que passa

atravs da rea varrida pelo rotor, e a transforma em energia eltrica.

Considerando-se um fluxo de ar, movendo-se a velocidade V1, perpendicular seo

transversal de um cilindro, a energia cintica da massa de ar m velocidade V1 :

= .122

(3.5)


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Figura 3.4 - Fluxo de ar atravs de uma rea transversal A [1]

A potncia P disponvel no vento definida como a derivada da energia no

tempo:

= = 12

2(3.6)

Onde:

P = potncia disponvel no vento [W];

E = energia cintica do vento [J];t = tempo [s];

= fluxo de massa de ar [kg/s];V1 = velocidade do vento [m/s];

O fluxo de massa de ar dado por:

= V1 A (3.7)

Onde:

= fluxo de massa de ar [kg/s]; = massa especfica do ar [kg/m];

V1 = velocidade do vento [m/s];

A = rea da seo transversal [m];

Logo, quando substitui-se a equao (3.7) na (3.5), temos que a potncia

disponvel no vento que passa pela seo A dada por:


35/83



= 12

13 (3.8)

Onde:

P = potncia do vento [W];

= massa especfica do ar [kg/m];


V1 = velocidade do vento [m/s];

Quando analisamos, contudo, o vento que passa pela rea varrida pelo

rotor de uma turbina, devemos considerar o coeficiente aerodinmico de potnciado rotor (CP) e o rendimento do conjunto gerador /transmisses mecnicas e

eltricas (). O coeficiente aerodinmico de potncia do rotor tem seu valor mximo

terico, de acordo com a lei de Betz, de 59,3% e varia com o vento, rotao e

parmetros de controle da turbina. Assim, a potncia til produzida pela turbina

elica deve ser escrita da seguinte forma:

= 12

. .. 13. . (3.9)

3.5.Fatores que influenciam a energia do ventoAlguns fatores influem diretamente na energia que provm do vento. A

escolha do local em que ser feita a instalao de um aerogerador deve sempre levar

em considerao a influncia desses fatores de modo a otimizar o aproveitamento

do recurso elico para produo de energia eltrica.

3.5.1.A altitude e a temperatura ambiente

A partir da expresso (3.9), constata-se uma relao direta entre a potncia

disponvel no vento e a massa especfica do ar. A energia cintica de um corpo em

movimento proporcional a sua massa, sendo assim, a energia cintica do vento

depende da densidade do ar. A densidade do ar, por sua vez, varia com a

temperatura e a presso atmosfrica, conforme a expresso abaixo:

=

(3.10)

onde:


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R = constante do ar [287 J/kg.K];

Pa = presso atmosfrica [Pa];T = temperatura ambiente [K];

A massa especfica do ar depende tambm da altitude e da temperatura

ambiente, j que a altitude afeta a prpria temperatura e a presso atmosfrica do

local. A expresso abaixo estima a massa especfica do ar em funo da altitude

do local e da temperatura ambiente:

= 353,4 (1

45271)5,2624

273,15+ (3.11)

onde:


z = altitude do local [m];

T = tempertatura ambiente [C].

Em condies metereolgicas padro, isto : 15C e 1.013 hPa, a massa

especfica do ar 1,225 kg/m.

A extenso pela qual a velocidade do vento aumenta com a altura

governado por um fenmeno chamdo wind shear. A frico entre ventos mais

lentos e mais rpidos leva ao aquecimento, velocidade do vento mais baixa e muito

menos energia disponvel do vento perto do solo.

A seguir, a figura ilustra a relao de altura e velocidade em diferentes

reas.


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Figura 3.5 - Diferentes reas e suas relaes entre velocidade do vento e altura [4]

Percebe-se que em regies com grande concentrao de construeselevadas, como prdios, o vento s atinge velocidades razoveis a uma determinada

altura. J em reas em que s h casas e pequenas construes, o vento atinge

velocidades satisfatrias em alturas menores. No caso do litoral, o vento atinge

velocidades maiores do que os outros exemplos em alturas bem menores.

A converso de energia em regies com muitos obstculos fica prejudicada,

mesmo assim, ainda possvel o aproveitamento nestas regies. necessrio,

todavia, um estudo de viabilidade para a instalao de equipamentos queconvertam a energia elica em eletricidade.

H uma regra prtica que permite a utilizao de cata-ventos em locais com

obstculos naturais, como rvores ou elevaes no solo. A regra diz que o catavento

tem que ficar a uma distncia mnima de 7 vezes a altura que o obstculo tem.

O comportamento logartmico da velocidade do vento pode ser usado para

determinar a velocidade do vento em uma determinada altura, sabendo-se sua

velocidade em outra altura. A equao abaixo foi utilizada para que se pudesse

estimar a velocidade do vento no local da instalao do gerador na EPUFBA, tendo

como base as medies de vento da estao coletora.

2 = 1(21) (3.12)

onde:

h1 = altura do solo do ponto 1 [m];

h2 = altura do solo do ponto 2 [m];


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v1 = velocidade do vento no ponto 1 [m/s];

v2 = velocidade do vento no ponto 2 [m/s];

= expoente de camada limite [adimensional];

= 21

21 (3.13)

Onde:

V1 = velocidade do vento no ponto 1 [m/s];

V2 = velocidade do vento no ponto 2 [m/s];

Z1 = altura no ponto 1 [m];

Z2 = altura no ponto 2 [m];

A partir da razo entre as alturas no rotor do aerogerador e do local de

coleta de dados de vento que de 2,5 e do expoente de camada limite de 0,4, para

locais com rugosidade considervel, como cidades, calculou-se um fator de

aproximadamente 1,4 para se estimar as velocidades do vento na altura do rotor do

GERAR 246, tendo como base as velocidades medidas pela estao anemomtrica.

3.5.2.A velocidade do vento

A partir da expresso (3.9), percebe-se que a potncia disponvel no vento

proporcional ao cubo da velocidade que ele apresenta. Este aspecto muito

importante e quer dizer que um vento com velocidade 10% superior, por exemplo,

apresenta 33% mais potncia disponvel, mantidas as demais condies. No caso

estudado, por exemplo, considerando-se velocidades 1,4 vezes maiores na altura do

rotor do aerogerador, dispe-se de potncias aproximadamente 2,8 vezes maiores.

O grfico a seguir mostra a variao da potncia disponvel no vento em

funo da velocidade do mesmo, considerando-se a massa especfica do ar

constante.


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Figura 3.6 - Variao da potncia disponvel no vento com a velocidade do vento [1]

3.5.3.rea de varrimento do rotor

A rea de varrimento do rotor ou, a circunferncia que o rotor abrangefisicamente o que determina quanta energia do vento a turbina elica capaz de

captar. Como a rea do rotor aumenta com o quadrado do raio, por exemplo, uma

turbina duas vezes maior recebe quatro vezes mais energia.

3.6. Extrao da potncia do vento e Mximo de BetzO fluxo de ar atravs de uma turbina elica de eixo horizontal ilustrado na

figura a seguir.


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Figura 3.7 - Fluxo de vento atravs de uma turbina elica [1]

A equao da continuidade de Bernouilli define a vazo de fluido como

sendo constante para diferentes localizaes ao longo do tubo de vazo. Assumindo-

se que no haja fluxo de massa atravs dos limites do tubo de vazes e

considerando-se a massa especfica do ar constante, vlido para velocidades de

vento menores que 100 m/s, tem-se:

= = = (3.12)onde:

Q = vazo de ar que atravessa a turbina elica [m/s];

A = rea da seo transversal do tubo de vazo que o ar atravessa a

turbina, antes da turbina, onde o vento livre [m];

v = velocidade do vento livre, antes da turbina [m/s];

Ae = rea da seo transversal do tubo de vazo do ar na entrada do rotor da

turbina;

ve = velocidade do vento na seo do tubo de vazo na entrada na turbina

[m/s];

As = rea da seo transversal do tubo de vazo do ar na sada do rotor da

turbina [m];

vs = velocidade do vento na seo do tubo de vazo na sada da turbina[m/s];


41/83



A turbina elica provocar a reduo da velocidade do vento na sada do

rotor ao converter a energia cintica do vento, o que resultar no aumento do

dimetro do tubo de vazes da figura (3.6), conforme a expresso (3.12).

A potncia do vento extrada pela turbina elica a diferena de potncia

entre o fluxo de ar na entrada e na sada do rotor elico. Pode-se ento escrever:

Pt=Pe-Ps (3.13)

onde:

Pt = potncia extrada do vento pela turbina elica [W];

Pe = potncia disponvel no vento na entrada do rotor elico [W];

Ps = potncia disponvel no vento na sada do rotor elico [W];

Quando o vento perde muita velocidade atrs do rotor, o ar flui em volta da

rea do rotor ao invs de atravess-lo. Logo, a mxima potncia que pode ser

extrada do vento por uma turbina elica apresenta uma limitao que referente a

uma velocidade do vento na sada do rotor elico que no pode ser inferior a1

3da

velocidade do vento incidente. Sendo assim, o rotor absorve a energia equivalente a

2

3da energia disponvel no vento livre antes da turbina. Logo, para a mxima

transferncia de potncia:

= 23 (3.14)

e

= 13 (3.15)

onde:

v = velocidade do vento livre, antes da turbina [m/s];

ve = velocidade do vento na seo do tubo de vazo na entrada da turbina

[m/s];

vs = velocidade do vento na seo do tubo de vazo na sada da turbina

[m/s];

A potncia do vento na entrada da turbina elica dada por:

=

1

2 2 (3.16)

onde:


42/83



Pe = potncia disponvel no vento na entrada do rotor elico [W];

= fluxo de massa de ar [kg/s];

v = velocidade do vento livre [m/s];Sabendo-se que:

= (3.17)Onde:

= fluxo de massa de ar [kg/s]; = massa especfica do ar [kg/m];


ve = velocidade do vento na entrada da turbina [m/s];

Substituindo-se as expresses (3.17) e (3.14) em (3.16), a potncia do vento

na entrada da turbina elica pode ser escrita como:

= 12 2

3 (3.18)

Similarmente, considerando-se = 3, pode-se determinar a potncia dovento na sada da turbina:

= 12 2

3 ( 1

3) (3.19)

Voltando expresso (3.13), da potncia extrada pela turbina elica, e

substituindo-se as equaes (3.18) e (3.19) na mesma, chega-se mxima potncia

que pode ser extrada por uma turbina elica:

= 12 2

3 2 1

2( 2

3)(1

3) (3.20)

Ou:


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44/83



3.7.Armazenamento de energiaComo o comportamento do vento muda ao longo do tempo, pode ser

necessria a utilizao de um sistema de armazenamento de energia que garanta ofornecimento adequado demanda. Nos casos em que a energia elica utilizada

para complementar a produo de energia convencional, a energia gerada injetada

diretamente na rede eltrica, no sendo necessrio o armazenamento de energia,

bastando que o sistema eltrico convencional de base esteja dimensionado para

atender demanda durante os perodos de ventos insuficientes.

Quando a energia elica utilizada como fonte primria de energia, uma

forma de armazenamento necessria para adaptar e racionalizar o perfil

aleatrio de produo energtica ao perfil de consumo. Para isso, necessrio

armazenar o excesso de energia durante os perodos de ventos de alta velocidade,

para us-la quando o consumo no puder ser atendido por insuficincia de vento,

esse excesso de energia pode ser armazenada em baterias, deixando as carregadas

para utilizar as mesmas mais tarde quando tiver insuficincia de vento.

Captulo 4

4.O comportamento probabilstico dovento

O vento apresenta variaes importantes e no determinsticas, fazendo-se

necessrio seu estudo por meio de anlise probabilstica.


45/83



4.1. A velocidade do ventoA velocidade do vento varia ao longo do dia, do ms, do ano e a longo prazo

tambm. Na maioria dos casos, pode haver uma variao de at 10% entre o valormdio anual e a mdia de longo prazo da velocidade do vento. Tem-se registros de

diferenas de at 18% entre as mdias anuais e a mdia de longo prazo em estaes

colocadas em regies com significativas variaes de vento.

Ao longo de um ano o vento tambm varia. Esta variao , contudo,

sazonal, apresentando o mesmo comportamento para perodos iguais de anos

diferentes. At mesmo ao longo do dia, a velocidade do vento experimenta variaes

significativas como verificado abaixo nos dados medidos no dia 07/09/2009 na

estao anemomtrica da Escola Politcnica da UFBA.

Figura 4.1 - Variao da velocidade instantnea durante o dia 07/09/2009

4.1.1.Distribuio de frequncia da velocidade do vento

O vento tem uma caracterstica estocstica e sua velocidade uma varivelaleatria contnua. Sendo assim, faz-se necessrio sua discretizao, de forma a

facilitar a anlise. Na tabela a seguir mostrada a discretizao que deve ser feita.

Estes dados foram coletados a partir das medies do meses de agosto, setembro e

outubro de 2009 da estao anemomtrica da escola Politcnica da UFBA. Os dados

de velocidade do vento so divididos em faixas de 1 m/s, padro atualmente usado

em geral nos estudos relacionados energia elica.


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Tabela 4.1 - Dados de vento na forma de frequncia de distribuio

Na figura 4.2 apresentado o grfico referente tabela acima com os

histogramas das frequncias de distribuio da velocidade do vento.

Figura 4.2Frequncia de distribuio de velocidade do vento

Os dados tabulados e representados graficamente foram obtidos por meio

de medies de vento realizadas na estao anemomtrica da EPUFBA que mede

continuamente e registra a velocidade mdia do vento em perodos discretos de 5

minutos.

Velocidade do vento (m/s) Nmero de ocorrncias Frequncia relativa (%)

0-1 368 17,78

1-2 804 38,84

2-3 610 29,47

3-4 221 10,68

4-5 64 3,09

5-6 3 0,14

6-7 0 -

7-8 0 -

8-9 0 -

9-10 0 -

Total 2070 100

-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10

Frequncia de Distribuio da Velocidade do Vento

Frequncia (%)

Frequncia


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A velocidade mdia do vento no perodo em estudo facilmente obtida,

atravs da expresso:

=

1

=1 (4.1)

onde:

vi = velocidade do vento registrada [m/s]

n = nmero de registros [adimensional]

i = identificao do registro

Como no foi possvel obter todos os registros a cada 5 minutos nos meses

estudados, calculou-se a mdia ponderada dos trs meses da seguinte forma:

= (4.2)onde:

vmi = velocidade mdia do intervalo

NO = nmero de ocorrncias

TNO = total do nmero de ocorrncias

A mdia da velocidade no trimestre foi 1,93 m/s.

4.1.2. Funo densidade de probabilidade do vento

A funo de densidade de probabilidade f(v) uma forma de representaoda distribuio da velocidade do vento. A velocidade mdia dada neste caso por:

= 0 (4.3)

onde v a velocidade do vento [m/s].

A funo de Weibull , no entanto, a funo de densidade de probabilidade

mais adequada distribuio do vento. Esta funo dada pela seguinte expresso:


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conhece o perfil do vento, visto que apenas o conhecimento da velocidade mdia do

vento suficiente para a determinao da sua frequncia de distribuio. A

distribuio de Rayleigh dada pela expresso:

= 2

4() (4.5)

onde:

v = velocidade do vento [m/s];

V = velocidade mdia do vento [m/s].

Captulo 5

5.Turbinas elicasAs turbinas elicas realizam a extrao da energia cintica do vento. A

potncia do vento convertida em potncia mecnica para a realizao de trabalho

ou converso em energia eltrica por meio das turbinas elicas.

Neste captulo sero mostradas turbinas elicas usadas para a produo de

energia eltrica.

5.1. Tipos de turbinas

5.1.1.Turbinas de arraste

As turbinas de arraste tm suas ps empurradas pelo vento, fazendo o rotor

girar. Trs tipos de ps de turbinas de arraste so mostradas na figura a seguir: a

plana, tipo clice e Panemone.


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A fora de arraste provocada pelo vento que flui sobre as ps expresso

por:

= 12 (5.1)

onde:

Fa = fora de arraste aerodinmico [N];

= passa especfica do ar [kg/m];

v = velocidade do vento [m/s];

Ca = coeficiente de arasto [adimensional];

A = rea da p [m];

O coeficiente de arrasto Ca depende da forma da p e varia de acordo com o

seu desenho e dimenses, apresentando valores inferiores a 2.

A velocidade das ps em turbinas de arraste no pode ser maior que a

velocidade do vento, fator que limita sua eficincia. Estas turbinas so

frequentemente usadas para bombeamento de pequenos volumes de gua com

ventos de baixa velocidade. Apresentam potncia de 0,5 kW para um rotor com

dimetro da ordem de 5m.

5.1.2.Turbinas de sustentao

As turbinas de sustentao usam aeroflios, similares a de avies, como

ps. Na figura abaixo representa-se o fluxo de ar na seo de uma p de um rotor

de uma turbina elica de sustentao. O vento v incide sobre a p com um ngulo em relao ao eixo da p. O fluxo de ar, ento, forado a mudar sua direo na

p, o que faz tambm mudar sua velocidade. Isto resulta, pela segunda lei de

Newton, no surgimento de uma fora de empuxo Fe .


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A incidncia do vento sobre as ps de uma turbina elica poder provocar

um deslocamento do fluxo de ar de parte da superfcie da p, dependendo do

ngulo de incidncia do fluxo de ar, das dimenses e perfil da p e da velocidade do

vento incidente. A figura a seguir demonstra esse deslocamento, mostrando duassituaes.

Figura 5.2 - Fluxos de ar no perfil de uma p [1]

Na primeira situao, o fluxo de ar laminar e aderente superfcie da p

na primeira regio. Neste caso a fora de sustentao maior, logo a sustentao

aerodinmica da p tambm maior e h maior transferncia de potncia do vento.

Na segunda regio o fluxo de ar sobre a p turbulento, o que resulta em

um deslocamento entre o fluxo laminar do ar e a superfcie da p. Nesta regio, no

haver fora de sustentao aerodinmica, ou seja, FS = 0 e no haver

transferncia de potncia. Esta regio chamada de regio de perda, j que h

perda de sustentao aerodinmica. Logo, quanto maior for a regio de perda numa

p em relao regio de sustentao, menor ser a transferncia de potncia do

vento realizada pela p.

A figura a seguir mostra dois casos, um com fluxo aderente p e outro

com o fluxo separado, com perda de sustentao.

5.2. Orientao do eixo de turbinas elicasAs turbinas elicas podem ser construdas com o eixo horizontal ou vertical.

Os rotores de eixo horizontal precisam se manter perpendiculares direo

do vento para capturarem o mximo de energia. Este o tipo de turbina mais usado


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atualmente. As turbinas de eixo vertical no necessitam de mecanismos rotacionais

e tm a vantagem do gerador e transmisso serem instalados no solo. As turbinas

Darrieus e Savonius so exemplos. A seguir a figura mostra um rotor Savonius:

Figura 5.3 - Rotor Savonius

A turbina Savonius possui um torque de partida mdio ou alto. usada

para bombeamento e moagem devido baixa velocidade do rotor. Por meio da

regulao da passagem de ar entre as ps, possibilita-se o controle de torque destas

mquinas. Usa-se um rotor que no estritamente de arraste, mas tem a

caracterstica de p com grande rea para interceptar o vento. Sendo assim, h

mais material e, consequentemente, mais problemas com a fora do vento paragrandes velocidades, o que provoca um momento que deve ser suportado pela p e

que deve ser absorvido na base da torre, mesmo com o rotor parado. A grande

vantagem da turbina Savonius sua facilidade de construo.

A turbina Darrieus, por sua vez, utilizada na gerao de energia eltrica,

por isto a velocidade do rotor alta, movendo-se mais rpido que o vento. Nesta

mquina o aerogerador instalado no solo, o que facilita sua montagem e

manuteno.

5.3. Nmero de ps em turbinas elicasAs turbinas elicas de eixo horizontal podem ser fabricadas com diferentes

nmeros de ps no seu rotor. Uma p girando no espao que j foi ocupado por

outra, corta um ar perturbado, o que reduz a velocidade do rotor. Por outro lado,

um maior nmero de ps aumenta o torque sobre o eixo do rotor. Como torque e

velocidade so inversamente proporcionais, quanto menor for o nmero de ps,mais rpida ser a rotao do rotor.


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A gerao eltrica exige alta velocidade e baixo torque, portanto, turbinas

com poucas ps. O bombeamento de gua e os processos de moagem, por sua vez,

requerem altos torques e baixas velocidades. Para essa aplicao so, ento, usadas

turbinas com vrias ps.

O menor nmero de ps possvel um. O movimento do rotor, neste caso,

muito irregular, j que a incidncia do vento maior na p que no contrapeso. O

rotor sofre grandes vibraes, produz mais rudos e apresenta dificuldades de

balanceamento, devido alta velocidade e vibrao.

O rotor de 3 ps tem movimento suave e estvel, resultando em impacto

visual menor. O balanceamento destes rotores mais fcil e apresenta vibraes e

emisses de rudos menores. O rotor da turbina que ser o objeto deste estudopossui 3 ps.

5.4. Controle de potncia e velocidade das turbinaselicas

A p do rotor de uma turbina elica tem um perfil especialmente projetado e

que similar aos usados para asas de avies, de forma que as foras aerodinmicas

geradas ao longo do perfil convertam a energia cintica do vento em energia

mecnica rotacional. Com a velocidade do fluxo de ar aumentando, as foras de

sustentao aerodinmicas aumentam com a segunda potncia, conforme a

expresso (5.2) e a potncia extrada do vento, com a terceira potncia de velocidade

do vento, conforme a expresso (3.9). Sendo assim, necessita-se de um controle de

potncia do rotor efetivo e rpido para que se evite danos no rotor em virtude de

ventos altos.

Dois princpios de controle aerodinmico so usados em turbinas. Um

passivo, chamado de controle por estol (stall control) e outro ativo, chamado de

controle de passo (pitch control).

5.4.1.Controle por estol

Este tipo de controle passivo e reage velocidade do vento. As ps do

rotor so fixas e no podem ser giradas em torno do seu eixo longitudinal. O ngulo

de passo escolhido de forma que para velocidades de ventos maiores que a


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nominal, o fluxo em torno do perfil da p do rotor se descola da superfcie (estol). O

fluxo se afasta da superfcie da p, surgindo regies de turbulncia entre esse fluxo

e a superfcie. Na situao de estol, a fora de sustentao reduzida, enquanto a

fora de arrasto aumentada. Esta dinmica permite o controle da potncia de sadada turbina.

Para evitar que o estol ocorra em todas as posies radiais das ps ao

mesmo tempo, o que reduziria consideravelmente a potncia do rotor, as ps

possuem uma toro longitudinal que as levam a um suave desenvolvimento do

estol. O fluxo em torno dos perfis das ps do rotor deslocado da superfcie,

produzindo sustentaes menores e foras de arrasto mais elevadas.

As turbinas com controle por estol so mais simples que as com controle depasso e apresentam certas vantagens, como: a inexistncia de sistemas de controle

de passo, estrutura de cubo do rotor simples, requerem menos manuteno devido

a um nmero menor de peas mveis, permitem um auto-controle da potncia.

A curva de potncia tpica de uma turbina com controle por estol

mostrada na figura a seguir.

Figura 5.4 - Curva de potncia tpica de uma turbina com controle por estol [1]

5.4.2.Controle de passo

Este tipo de controle ativo, fazendo-se necessrio um sinal do gerador de

potncia. Quando a potncia nominal do gerador ultrapassada, devido ao

aumento das velocidades do vento, as ps do rotor sero giradas em torno do seu


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eixo longitudinal, mudando o ngulo de passo para aumentar o ngulo de ataque

do fluxo de ar. Este recurso faz que as foras aerodinmicas atuantes e a extrao

de potncia de vento pela turbina diminuam.

Figura 5.5 - Representao do movimento de uma p de uma turbina com controlede passo

Fonte: Energia Elica para Produo de Energia Eltrica

O controle de passo determina um ngulo de passo de tal maneira que a

turbina produza apenas a potncia nominal para todas as velocidades do vento que

superam a nominal. At atingir a potncia nominal, o fluxo em torno dos perfis da

p do rotor bem aderente superfcie, resultando em sustentao aerodinmica e

pequenas foras de arrasto. Para que a potncia permanea constante, o ngulo de

ataque deve ser alterado de forma a produzir o estol e, assim, a perda de

sustentao suficiente para a manuteno da potncia transferida pelo rotor.

A curva de potncia tpica de uma turbina com controle de passo

mostrada na figura a seguir.


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Figura 5.6 - Curva de potncia tpica de uma turbina com controle de passo [1]

As turbinas com controle de passo, apesar de serem mais sofisticadas do

que as de passo fixo, controladas por estol, possuem algumas vantagens, como:

controle de potncia ativa sob todas as condies de vento, possibilidade de atingir

a potncia nominal mesmo sob condies de baixa densidade do ar, maior produo

de energia sob as mesmas condies, partida simples do rotor pela mudana de

passo, ps dos rotores mais leves, etc.

5.4.3.Controle por estol ativo

O sistema de controle por estol ativo um controle de potncia e velocidade

hbrido. Mistura-se os controles por estol e de passo. O aerogerador GERAR 246,

objeto de estudo do trabalho, possui este tipo de controle.

Como maiores vantagens deste tipo de sistema esto a necessidade de

pequenas mudanas no ngulo de passo para se controlar a potncia, a

possibilidade de controle de potncia sob condies de potncia parcial, no caso de

ventos baixos e maior simplicidade na construo, em comparao com turbinas

com controle de passo.

Captulo 6

6.AerogeradoresOs aerogeradores so equipamentos para produo de energia eltrica a

partir da energia cintica do vento. A turbina elica e o gerador so os principais

componentes de um aerogerador. Neste captulo sero mostrados, o princpio da


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gerao de energia eltrica por meio de um aerogerador, os componentes, sistemas

e caractersticas do GERAR 246, objeto de estudo do presente trabalho.

6.1. O princpio da gerao elicaA turbina elica movida pelo vento produz energia mecnica, que

transmitida ao gerador pelo eixo e convertida em energia eltrica posteriormente.

A converso de energia mecnica em energia eltrica pelo gerador eltrico

feita por meio de converso eletromagntica. O acoplamento entre a turbina e o

gerador feito por meio de caixas multiplicadoras na maioria dos grandes

aerogeradores, devido s diferentes rotaes das duas mquinas. H, contudo,

alguns casos de acoplamentos diretos, que no requerem o uso de caixas

multiplicadoras. O GERAR 246 permite o acoplamento direto ao captador elico,

sendo o alternador uma mquina prpria para uso em baixa velocidade. O gerador

eltrico pode ser sncrono ou assncrono.

6.2. Partes do aerogerador GERAR 246Um aerogerador formado por diversas parte e sistemas. O GERAR 246

formado pelas seguintes: Ps/captador elico, alternador (gerador de magnetos

permanentes), leme direcionador, cabea rotativa e controlador de carga. Os

componentes sero detalhados a seguir.

6.2.1.Ps/Captador Elico

O rotor do GERAR 246 composto de trs ps feitas de fibra de vidro

fixadas na prpria carcaa do alternador por meio de uma raiz tubular de ao inox

que permite a sua modulao, ajustando o ngulo de ataque em funo davelocidade do vento. H ainda para a fixao das hlices uma mola central que deve

ser comprimida sobre as bases das hlices garantindo que estas atuem de acordo

com a regulagem determinada e tambm para que haja a sincronizao do sistema.

As ps do GERAR 246 tm formato torcido estreitando da raiz at a ponta, o

que facilita a partida com vento de baixa velocidade e oferece alto desempenho nas

maiores velocidades, alm de baixo nvel de rudo.


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6.2.2.Alternador

O GERAR 246 tem um alternador do tipo axial com duplo rotor, o que

permite ter uma mquina potente, compacta e resistente. O alternador utiliza

magnetos permanentes feitos com base de neodmio. O alternador do GERAR 246

uma mquina para uso em baixa velocidade, permitindo o acoplamento direto ao

catador elico, o que dispensa o uso de sistemas multiplicadores de velocidade.

O alternador produz corrente alternada trifsica que flui por mei de trs

cabos para a base da torre e da ao controlador de carga.

6.2.3.Leme Direcionador

O leme direcionador fabricado em fibra de vidro e acoplado ao corpo da

cabea rotativa. Ele composto do leme propriamente dito. O leme direcionador tem

como funo a orientao do captador elico no sentido da direo do vento e

responde s mnimas alteraes nesta direo.

6.2.4.Cabea Rotativa

A cabea rotativa ajuda na fixao no tubo padro que sempre deve existir

no topo da torre. Os seus rolamentos internos permitem o giro completo, facilitando

o alinhamento do aerogerador com a direo do vento. No interior da cabea

rotativa feita a fixao do cabo eltrico que transmite a corrente eltrica do

gerador que gira acompanhando a direo do vento para o controlador de carga.

Para que no haja a toro no cabo eltrico durante a mudana de direo do

gerador, o GERAR 246 dispe de um jogo de escovas que fazem a transferncia da

energia do aerogerador para o cabo eltrico.

6.2.5.Controlador de Carga

A energia gerada pelo alternador chega ao controlador de carga na forma

alternada e trifsica. O nvel de tenso e a freqncia, no entanto, variam

extremamente com a velocidade do vento. Para algumas aplicaes, como

bombeamento e aquecimento, possvel que se utilize a energia como ela gerada,

mas para aplicaes mais usuais da energia, necessrio acumular e estabilizar a

energia.

O controlador de carga transforma a energia recebida do alternador para a

forma de corrente contnua disponvel para sistemas de 24/48 V. Atravs dele,

pode-se aplicar o freio magntico, acionando-se uma chav

estudo e avaliação da operação de um sistema de geração eólica

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