UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CURSO DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

Implantao, Operao e Instrumentao de Sistema Hbrido Elico/Diesel / no Territrio de Fernando de Noronha

DISSERTAO SUBMETIDA UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO PARA A OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA MECNICA

Renato Wagner da Silva Barros

Recife, Fevereiro / 2002

iv RESUMO O sistema hbrido elico/diesel do Territrio de Fernando de Noronha composto por uma turbina elica de 225 kW, uma turbina elica de 75 kW e uma Usina Termeltrica com capacidade total de 3 MW. Este sistema representa o maior sistema hbrido em operao na Amrica Latina. Em funo do pioneirismo e das repercusses da implantao deste projeto, este trabalho de tese enfatiza todas as etapas necessrias especificao e implantao de turbinas elicas em sistemas isolados. Aspectos de engenharia como o projeto de infra-estrutura de engenharia civil, eltrica e estrutural so abordados. Consideraes tcnicas nas etapas de comissionamento e operao so apresentadas, de forma a subsidiar futuros projetos no Brasil. Os efeitos do sistema termeltrico existente (aspectos eltricos) na operao da turbina so analisados. Vrios parmetros de operao da turbina foram medidos tais como: fluxo de energia produzida e consumida pela turbina de 225 kW, nmeros de desligamentos devido a problemas na rede, etc. Preliminarmente, no perodo de janeiro a julho de 2000, foi constatada a economia de 35.000 litros de diesel pela turbina elica, com grandes repercusses positivas em termos econmicos e ambientais. O trabalho de tese descreve a instrumentao utilizada para realizao das medidas experimentais em Fernando de Noronha. Foram coletadas as grandezas de tenso e corrente nas trs fases, simultaneamente na usina trmica e na turbina elica de 225 kW. Resultados com condies de operao diversas so apresentados.

v

ABSTRACT The wind/diesel hybrid power system of the Territory of Fernando de Noronha is composed by an wind turbine 225 kW, an wind turbine 75 kW and a Power Station with total capacity of 3 MW. It comprises the greatest operating wind/diesel hybrid power system in Latin America. Since it is being the pioneer and due to the repercussions of the implantation of this project, this thesis work emphasizes all the necessary stages to the specification and implantation of wind turbines in standalone systems. Insight in engineering as the civil infrastructure project, as well as electrical and structural engineering are handled with. Technical considerations in management, contract and operation are presented to subsidize futures projects in Brazil. The effects about the influence on the thermoelectrical system had been done to the wind turbine 225 kW witch operational data were analyzed. Some operational parameters of the turbine had been measured such as: energy output and energy consumption of the turbine 225 kW, disconnecting events of due to problems in the grid, etc. Preliminarily, during the range comprising January to July / 2000, savings of about 35.000 liters of diesel were achieved due to the wind turbines 225 kW and 75 kW, with great positive repercussions in economics and environmental terms. This thesis work describes the instrumentation used for accomplishment of the experimental measurements in Fernando de Noronha Island. The magnitude of tension and current in each of the three phases had been collected, simultaneously in the Power Station and in the common point of coupling with the wind turbine 225 kW. Results with diverse readinesses are presented.

vi

IMPLANTAO, OPERAO E INSTRUMENTAO DE SISTEMA HBRIDO ELICO/DIESEL / NO TERRITRIO DE FERNANDO DE NORONHA

SUMRIO 1. INTRODUO 1.1 Sistemas Hbridos Elico/Diesel 1.2 Projetos Representativos de Sistemas Hbridos no Mundo 1.3 Energia Elica no Brasil 1.4 Sistema Isolados 1.5 Apresentao dos Conceitos de Sistemas Hbridos Elico/Diesel 1.6 Sistema Hbrido Elico/Diesel da Ilha de Fernando de Noronha 1.7 Objetivo do Trabalho de Dissertao 1.7.1 Objetivos Especficos do Trabalho de Dissertao 1 1 2 3 3 4 6 7 7 8 8 9 11 15 16 17 17 18 18 18 19 19 19 22 23

2. TECNOLOGIA DE TURBINAS ELICAS DE EIXO HORIZONTAL 2.1 Configurao de Turbinas Elicas de Eixo Horizontal 2.2 Descrio dos Componentes de uma Turbina Elica de Eixo Horizontal 2.3 Caractersticas dos Componentes Principais para Gerao Eltrica 2.4 Sistema de Controle 2.5 Conexo Rede Eltrica 2.5.1 Conexo Suave Rede Eltrica 2.6 Compensao de Reativo 3.TECNOLOGIA DE GERADORES DIESEL 3.1 Geradores Diesel 3.2 Geradores Sncronos aplicados Usina Termeltrica 3.2.1 Operao dos Geradores Sncronos em Paralelo 3.3 Componente de Controle de Potncia de Geradores Sncronos 3.3.1 Regulao de Tenso 3.4 Curva Caracterstica do Gerador Diesel 3.5 Motores Diesel

vii 3.6 Regulao de velocidade 3.6.1 Regulador de Velocidade do Motor 3.7 Componentes de Superviso e Controle 4. SISTEMAS ISOLADOS NO BRASIL OPERAO COM DIESEL 4.1.Valores de Produo e Consumo de leo Diesel no Brasil 4.2.Sistemas Isolados Unidades Termeltricas a leo Diesel 4.3.Projetos de Unidades Termeltricas a leo Diesel 4.4 Legislao Aplicada ao Mercado de Energia Eltrica do Brasil 4.5 Origem das Contas de Consumo de Combustvel 4.5.1 Contas de Consumo de Combustveis 4.5.2 Aquisio dos Benefcios da Contas de Consumo de Combustvel Fontes Renovveis de Energia Eltrica 4.6 Procedimentos para o Gerenciamento da Contas de Consumo de Combustvel 4.7 Perspectivas de Evoluo da Contas de Consumo de Combustvel 5. SISTEMA HBRIDO ELICO/DIESEL: CONCEITOS 5.1 Configuraes de Sistemas Hbridos Elico/Diesel 5.1.1 Turbina Elica/Grupo gerador Diesel Configurao 1 5.1.2 Turbina Elica/Grupo Gerador Diesel Modificado Configurao 2 5.1.3 Turbina Elica/Grupo Gerador Diesel Modificado/ Armazenagem Configurao 3 5.1.4 O Sistema Integrado: Configurao 4 6. SISTEMAS HBRIDOS ELICO/DIESEL DE FERNANDO DE NORONHA- SITUAO ATUAL 6.1 Configurao 1: Turbinas Elicas de 75 kW e de 225kW/Motores Diesel 400kW 6.2 Turbina Elica de 75 kW 6.2.1 Caractersticas da Turbina Elica de 75 kW 6.2.2 Ps da Turbina Elica 6.2.3 Rotor 39 40 41 42 42 38 35 36 34 31 31 33 33 33 31 24 25 26 28 28 28 28 29 30 30

viii 6.2.4 Manuteno 6.3 Gerador Diesel 400 kW 6.4 Configurao 2: Turbina Elica 225 kW/Gerador Diesel de 910 kW (turbina de 75 kW em manuteno) 6.5 Turbina Elica V27 - 225 kW 6.5.1 Controle de Potncia por Regulao do ngulo de Passo das Ps 6.5.2 A Estrutura da Turbina Elica V27 225 kW 6.5.3 Descrio dos Componentes da Turbina Elica de 225 kW 6.5.4 Caractersticas Bsicas da Turbina Elica de 225 kW 6.5.5 Gerador Assncrono da Turbina de 225 kW 6.6. Gerador Diesel 910kW 6.7 Estratgia de Operao CELPE 6.7.1 Rede de Distribuio 6.7.2 Caracterstica da Carga 6.7.3Curva de Carga 6.7.4 Cargas Principais e Cargas Especiais 7. ANLISE EXPERIMENTAL DO SISTEMA HBRIDO ELICO/DIESEL DE FERNANDO DE NORONHA 7.1 Anlise Experimental- Fase 1 7.1.1 Produo e Consumo de Energia Diria da Turbina Elica de 225 kW 7.1.2 Produo e Consumo de Energia da Turbina Elica de 225 kW 7.1.3 Penetrao Elica 7.1.4 Tempo de Disponibilidade da Turbina Elica de 225 kW 7.1.5 Tempo de Funcionamento dos Geradores da Turbina Elica de 225 kW 7.1.6 Falhas Proporcionadas pela Rede Eltrica 7.2 Economia do Consumo de Combustvel 8. ANLISE EXPERIMENTAL FASE 2 8.1 Descrio Bsica 66 68 70 72 72 60 64 64 65 60 60 44 46 47 47 48 50 51 52 54 55 58 58 59 42 43

ix 8.2 Desconexo da Turbina Elica de 225 kW da Rede Eltrica/ Parada Emergencial da Turbina de 225 kW 8.2.1 Grfico da Potncia Ativa 8.2.2 Grfico da Potncia Reativa 8.2.3 Grfico de Tenso 8.2.4 Grfico de Freqncia 8.3 Conexo da Turbina Elica de 225 kW Rede Eltrica 8.3.1 Grfico da Potncia Ativa 8.3.2 Grfico da Potncia Reativa 8.3.3 Grfico de Tenso 8.3.4 Grfico de Freqncia 9. CONCLUSO 10 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ANEXO1 75 75 76 76 78 78 78 79 80 81 83 84

1

1. INTRODUO 1.1 Sistemas Hbridos Elico/Diesel Algumas localidades no apresentam condies de serem atendidas pela rede eltrica convencional, devido s instalaes de suas cargas ocuparem posies geogrficas remotas. Uma grande distncia entre a localidade e a rede pode conduzir a um investimento elevado, empregado na implantao da rede eltrica. Por isso, os sistemas autnomos de gerao de energia, podem atender s cargas situadas em localidades remotas, custos mais baixos - Costa [6]. Em vrias partes do mundo, existem comunidades que se utilizam da energia eltrica gerada localmente por geradores diesel, sem ligao com as grandes redes distribuidoras de energia eltrica. Apesar de ser uma soluo para o suprimento das cargas, a gerao diesel apresenta um custo elevado para a produo de eletricidade, devido ao custo do prprio combustvel, logstica do suprimento de combustvel e sua manuteno. Isso torna a utilizao de turbinas elicas nestes locais uma opo bastante atraente, com a utilizao do combustvel vento gratuito. Outra soluo, seria a implantao de um Sistema Hbrido. O Sistema hbrido aquele que combina duas ou mais fontes de energia para produzir eletricidade, atendendo aos sistemas autnomos de eletricidade e ao sistema convencional. O sistema hbrido elico/diesel, utilizando-se de geradores diesel de grande porte, por exemplo, explora o avano tecnolgico e a ampla utilizao de turbinas elicas ligadas s redes eltricas de distribuio convencionais, pelo que se assemelham em condies de operao e controle. A figura 1.1 apresenta o sistema hbrido elico/diesel da Ilha de Fernando de Noronha, objeto de estudo deste trabalho de dissertao.Turbina elica 01 (75 kW)

Turbina elica 02 (225 kW)

Usina Termeltrica Diesel 2 x 910 kW e 3 x 400 kW

Figura 1.1 Sistema de Gerao e Distribuio da Ilha de Fernando de Noronha .

2 1.2 Projetos Representativos de Sistemas Hbridos no Mundo A utilizao dos sistemas hbridos elico/diesel aplicados locais isolados, no mundo, est aumentando, como um meio de reduzir a dependncia sobre o consumo de combustvel fssil na produo de eletricidade. A tabela 1.1 Pereira [22], apresenta os projetos comerciais mais representativos que utilizam o sistema hbrido elico/diesel para o fornecimento de eletricidade em locais isolados. Tabela 1.1 Lista de sistemas hbridos elico/diesel instalados no mundo. Localizao / Pas Sal / Cabo Verde Mindelo / Cabo Verde Forte Ventura / Ilhas Canrias Ilhas Foula / Shetland Island La Desirade / Guadalupe Marsabit / Kenia Ilha Kythnos / Grcia Denham/ Austrlia Ilha de Lemnos/ Grcia Ilha de Fernando de Noronha / Brasil Grupo Gerador Diesel (kW) 2 x 500 1 x 800 1 x 620 1 x 400 2 x 300 2 x 300 2 x 75 1 x 28 1 x 160 3 x 240 1 x 100 1 x 200 3 x 125 2 x 250 3 x 633 2 x 228 2 x 580 2 x 1200 2 x 2700 1 x 2600 2 x 910 Turbina Elica (kW) 2 x 300 3 x 300 1 x 225 1 x 60 12 x 12 1 x 150 5 x 33 1 x 150 1 x 230 8 x 55 7 x100 1 x 75 1 x 225 Penetrao Elica 22% (ms) 14% (3 anos) 17% (mensal) 14% (3 anos) 70% (3 meses) Data de Operao (1994 (1994 (1992 (1990 ) ) ) ) ) ) ) ) ) )

40% (instantneo) (1993 46% (3 anos) (1988 (1995 -

70% (instantneo) 23% (6 meses) (1998 20% (1995 (1992 -

Apesar da necessidade do mercado, em vrios pases do Mundo, em absorver os benefcios que podem ser oferecidos pelos sistemas hbridos elico/diesel, os investimentos em pesquisa e desenvolvimento e em tecnologia aplicada esse campo so ainda pequenos, comparandose aplicao de larga escala Hansen et al [12]. No h registros suficientes de sucesso de aplicabilidade desses sistemas, que venham a dar segurana aos consumidores e aos investidores em sistemas hbridos elico/diesel. Embora, seja reconhecido que tais sistemas contribuem com a economia de combustvel fssil utilizado pelas termeltricas, pouco se sabe sobre um projeto de sistema hbrido que esteja em pleno funcionamento durante um perodo prximo ao tempo de vida til das turbinas elicas, devido pouca documentao publicada. Devido utilizao do recurso de fonte renovvel de energia elica, esse sistema pode colaborar com a diminuio das operaes dos geradores diesel e possibilitar diminuio nos

3 custos de operao e manuteno, alm da poder fornecer uma vida til maior para os geradores diesel. 1.3 Energia Elica no Brasil No Brasil, o aumento da participao da energia elica para produo de eletricidade uma resposta sada da crise de energia do setor eltrico, constatada no incio do ano de 2001. A crise ocorreu ou por falta de investimento no setor ou devido diminuio dos mananciais utilizados pelas hidreltricas, ou ambos. Atitudes como a criao do projeto do Governo Federal, denominado Proelica, que prev a gerao de 1.050 MW com energia elica, at 2003, e da Resoluo n 112/96, da ANEEL, que facilita o acesso de capital privado, atravs de produtores independentes de energia so estratgias que viabilizam o crescimento econmico do pas, incentivam a produo de energia e proporcionam maiores investimentos difundidos em diversas reas de trabalho. Considerando as medidas e as anlises dos recursos elicos, em vrios locais do Brasil, apresenta-se um grande potencial elico a ser explorado e avalia-se a possibilidade de gerao eltrica com custos da ordem de US$ 70 US$ 80 por MWh CBEE [2]. Portanto, possvel produzir eletricidade custos competitivos, via energia elica, quando comparados aos custos das centrais termeltricas, nucleares e hidroeltricas. A evoluo da capacidade de gerao elica instalada no Brasil, desde 1992 at o ano 2000, est apresentada na figura 1.2. Observa-se que grande parte da capacidade elica existente, foi instalada no ano de 1999, ocorrendo nesse ano os primeiros projetos de venda de eletricidade por produtor independente.25

Total anual

Total acumulada

Potncia Instalada MW

20 15

10 5 0 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000

AnoFonte: Centro Brasileiro de Energia Elica CBEE.

Figura 1.2 Capacidade de gerao elica instalada no Brasil, at 2000. 1.4 Sistemas Isolados O Governo brasileiro entendeu a necessidade de acabar com o dispndio relativo ao subsdio destinado s geradoras e distribuidoras de energia eltrica atravs das Contas de Consumo de Combustvel CCC. Esta Conta cobre os custos relativos ao consumo de combustvel fssil utilizado na produo de eletricidade. O Governo determinou que a

4 gerao eltrica, a partir de fontes renovveis de energia, pode usufruir dos benefcios do mtodo de rateio das Contas de Consumo de Combustvel dos Sistemas Isolados CCC ISOL. Tem-se por objetivo a substituio da gerao das unidades termeltricas que utilizam derivados de petrleo nos Sistemas Isolados. Essa determinao abre um campo de investimentos para Produtores Independentes de Energia Eltrica ou Autoprodutores de Energia Eltrica s implantaes de sistemas hbridos elicos/diesel, Pequenas Centrais Hidreltricas (PCH's) e outras fontes renovveis. A figura 1.3 apresenta os estados com as concessionrias e distribuidoras que utilizamse das Usinas Termeltricas a leo diesel em operao no Pas.

CEAM

CER

CELPA CEA CEMAR CELTINS CELPE CHESF

ELETROACRE CERON CEMAT

CEB CEMIG

ENERSUL

Fonte: Centrais Eltricas Brasileiras - ELETROBRS

Figura 1.3 - Usinas Termeltricas a diesel em operao no Pas.

1.5 Apresentao dos Conceitos de Sistemas Hbridos Elico/Diesel Para implementao de projetos de sistemas hbridos elico/diesel h vrias configuraes que podem ser utilizadas. Combinaes de diferentes princpios de controle e operao so adequadas s necessidades das demandas dos consumidores. Por exemplo, um projeto de sistema hbrido elico/diesel pode conter, operando conjuntamente, um volante de inrcia e um controlador de carga. Um outro projeto pode incluir duas ou mais unidades de geradores diesel e acrescentar a estratgia de armazenamento de energia atravs da instalao de um banco de baterias. O fato de se optar por um tipo determinado de estratgia devido s

5 altas flutuaes do vento, como tambm s rpidas mudanas nos requerimentos de potncia dentro de uma rede eltrica. O sistema hbrido elico/diesel em operao na Ilha de Fernando de Noronha, por exemplo, composto por vrios geradores diesel e por duas turbinas elicas. Essas turbinas injetam potncia eltrica diretamente na rede eltrica sem a necessidade de estratgias de armazenamento de energia ou utilizao de cargas controladas aplicadas para dissipao de potncia. A figura 1.4 apresenta as configuraes desse sistema hbrido, durante o desenvolvimento desse trabalho. A passagem da configurao 1 para a configurao 2 do sistema hbrido da Ilha de Fernando de Noronha ocorreu, devido repotenciao do sistema de gerao termeltrico.

Configurao 1

Configurao 2

Rotor Gerador assncrono 1 x 225 kW

Rede de distribuio

Rotor Gerador assncrono 1 x 225 kW Gerador assncrono 1 x 75 kW manuteno

Rede de distribuio

Gerador assncrono 1 x 75 kW

Motor diesel

Gerador sncrono 3 x 400 kW Gerador sncrono 2 x 400 kW

Motor diesel

Gerador sncrono 2 x 910 kW Gerador sncrono 3 x 400 kW

Motor diesel

Motor diesel

Consumidor

Consumidor

Figura 1.4 - Configurao do sistema hbrido elico diesel da Ilha de Fernando de Noronha.

6 1.6 Sistema Hbrido Elico/Diesel da Ilha de Fernando de Noronha O arquiplago de Fernando de Noronha (figura 1.5) localiza-se no atlntico equatorial. A Ilha principal, Fernando de Noronha, tem 16,9 km2 e uma populao de 2500 habitantes. Os aspectos econmicos da Ilha esto basicamente relacionados as atividades tursticas, de natureza ecolgica, referentes preservao da fauna e da flora pertencentes Ilha.

Arquiplago de Fernando de Noronha

545 km de Recife

Populao: 2.500 habitantes Principal atividade econmica: Turismo

Figura 1.5 - Ilha de Fernando de Noronha A partir do levantamento do perfil da carga, fornecido pela Usina Termeltrica Tubaro e, conhecendo-se as condies favorveis do regime de vento do local CBEE [3], tornouse possvel ampliar a penetrao elica, atravs da conexo da turbina elica de 225 kW rede de distribuio da Ilha, somando-se potncia da turbina elica de 75 kW, j em operao nesse sistema. Esse trabalho baseou-se em anlises efetuadas sobre duas configuraes do sistema hbrido da Ilha. Apresenta-se a configurao 1 instituda entre os meses de maio julho de 2000, onde so expostas as descries e as caractersticas de funcionamento dos componentes do sistema elico/diesel, tais como a turbina elica de 75 kW, os geradores diesel de 400 kW (termeltrica com capacidade instalada de 2 MW) e a turbina elica de 225 kW. Apresenta-se a configurao 2, instituda a partir do ms de junho de 2001, com a turbina elica de 225 kW, com os geradores diesel de 910 kW e os geradores de 400 kW (termeltrica com capacidade instalada de 3 MW). A turbina de 75 kW esteve em manuteno durante as anlises realizadas na fase 2. A implantao da turbina de 225 kW, no ms de maio de 2000, elevou a penetrao elica na Ilha de Fernando de Noronha. O sistema hbrido em operao na Ilha, tornou-se com a incluso dessa turbina o maior sistema hbrido elico/diesel da Amrica Latina.

7 Uma breve explanao expe a estratgia de operao da Usina Termeltrica Tubaro, para uma melhor compreenso do funcionamento sobre o fornecimento de eletricidade na Ilha. So fornecidas, tambm, informaes sobre o sistema de distribuio e as caractersticas da carga. Aspectos de engenharia como o projeto de infra-estrutura de engenharia civil, eltrica e estrutural relacionados turbina elica de 225 kW foram apresentados (Anexo1).

1.7 Objetivo Geral do Trabalho de Dissertao O objetivo desse trabalho de dissertao enfatizar todas as etapas necessrias especificao e implantao de turbinas elicas em sistemas isolados, em funo da implantao da turbina elica de 225 kW, na Ilha de Fernando de Noronha, oferecendo recursos para a implantao e conexo de turbinas elicas Sistemas Isolados no Brasil, que utilizam a gerao de energia eltrica leo diesel. 1.7.1 Objetivos Especficos do Trabalho de Dissertao descrever a instrumentao utilizada para realizao das medidas experimentais na Ilha de Fernando de Noronha (configurao 1 e 2); quantificar a produo de energia ativa injetada na rede eltrica pela turbina elica de 225 kW e o consumo de energia reativa, requerida pela mesma (configurao 1); avaliar o tempo de disponibilidade da turbina elica de 225 kW e do sistema de distribuio termeltrico (configurao 1); investigar as ocorrncias de falhas ocorridas no sistema eltrico da Ilha (configurao 1); quantificar a economia de combustvel (leo diesel ) proporcionada pelas turbinas elicas de 75 kW e de 225kW (configurao 1); analisar a influncia causada pela turbina elica de 225 kW qualidade de energia do sistema eltrico (configurao 2);

8 2. TECNOLOGIA DE TURBINAS ELICAS DE EIXO HORIZONTAL 2.1 Configurao de Turbinas Elicas de Eixo Horizontal As turbinas elicas conhecidas como Turbinas Elicas de Eixo Horizontal (HAWT), utilizam essa terminologia para expressar o aspecto geomtrico do eixo sobre o qual o rotor da turbina est montado. Os componentes que fazem parte de sua estrutura so: a nacelle (onde est montado o gerador eltrico), o rotor (formado pelas ps e pelo cubo (hub) ) e a torre. As suas aplicaes so baseadas, conforme s necessidades previstas no planejamento do projeto. O fornecimento de energia eltrica das turbinas elicas conectadas diretamente rede eltrica convencional a forma de aplicao mais difundida. Podem ser utilizadas em sistemas isolados para fornecimento de energia eltrica, em combinao, ou no, outras fontes de energia, tais como a solar, o combustvel fssil e o hidrulico, com ou sem armazenamento de energia, como por exemplo, banco de baterias ou volantes de inrcia. Tambm, a produo de eletricidade das turbinas elicas combinadas produo de geradores diesel de grande porte (sistemas hbridos elico/diesel) pode atender aos consumidores de at uma cidade, como sistemas autnomos de eletricidade de servio pblico ou privado. Em relao ao modo de operao, a extrao de energia cintica do vento por uma turbina elica convertida em energia mecnica de rotao, atravs do seu rotor. Um sistema de transmisso mecnica, que consiste de uma caixa de engrenagens, acopla esse eixo em rotao, um gerador eltrico, o qual transforma a energia mecnica em energia eltrica. A figura 2.1 apresenta uma turbina de eixo horizontal, caracterizando os componentes principias de sua estrutura Walker [26] .

rea de varredura do rotor Dimetro do Rotor Nacelle

P

Torre

Fundao

Figura 2.1 Componentes da estrutura de uma turbina elica de eixo horizontal.

9 2.2 Descrio dos Componentes de uma Turbina Elica de Eixo Horizontal 1) Nacelle A nacelle (figura 2.2) possui uma estrutura de ferro em sua base, a qual est aparafusada na parte superior da torre. Sobre essa estrutura so fixados os mecanismos de transmisso, o gerador eltrico, componentes do sistema hidrulico e de ventilao e o sistema de controle situado na nacelle. A funo da nacelle proteger esses componentes. Em resposta a mudana da direo do vento, as turbinas utilizam-se do sistema de giro (yaw), que recebe informaes dos sensores de velocidade e de direo do vento, instalados na nacelle, o qual atua no seu posicionamento, conforme a solicitao programada. O sistema de giro da turbina responsvel pela rotao da turbina medida que o vento tenha sofrido alguma alterao na sua direo de escoamento e seja conveniente posicionar a rea de varredura do rotor perpendicularmente essa direo, com o objetivo de proporcionar o melhor rendimento do rotor, durante a operao normal da turbina. A atuao do sistema de giro realizada atravs de uma lenta rotao da nacelle. O sistema tambm ativado por motivo de segurana, devido aos esforos provocados sobre o equipamento quando a velocidade do vento atinge valores acima da velocidade de sada (cut-out). Por esse motivo, faz-se com que o eixo do rotor permanea em um ngulo de noventa graus em relao direo do vento.

Figura 2.2 Nacele de uma turbina elica de eixo horizontal. 2) Rotor A concepo do rotor (figura 2.3) caracterizada pela formao adquirida aps a conexo das ps ao cubo. O rotor conectado ao eixo de transmisso mecnica, o qual est acoplado a um gerador eltrico. um dos componentes de maior importncia, devido estar diretamente relacionado com a gerao de energia eltrica. O seu desempenho, sob condies variadas de velocidade de vento, influencia tanto a qualidade quanto a quantidade da energia que pode ser fornecida pela turbina elica. So movidos por foras aerodinmicas chamadas de foras de sustentao (lift), que atuam perpendicularmente ao escoamento do fluxo de ar e foras de arrasto (drag), que atuam na direo do escoamento Lysen [18]. Essas foras so proporcionais ao quadrado da velocidade relativa do vento. As foras de sustentao dependem da geometria da p e do ngulo de ataque.

10

Figura 2.3 Rotor acoplado nacelle da turbina elica de eixo horizontal. A p (figura 2.4) do rotor extrai a energia cintica do vento e o seu desempenho aerodinmico determina a efetiva converso elica. Turbinas elicas utilizam uma, duas ou trs ps, para formarem um rotor. As ps esto relacionadas com a dinmica de converso de energia especificamente com o momento de inrcia , atravs do peso e de seu balanceamento. Seu desempenho aerodinmico est sob a influncia das intempries, do efeito da temperatura, umidade, de sujeira que adere durante o perodo de operao e de salinidade. So utilizadas para regulao de potncia e da velocidade do rotor a regulao por stall (passo fixo) ou a regulao do ngulo de passo das ps ( pitch) Freris [11].

Figura 2.4 P de uma turbina elica de eixo horizontal . 3) Torre

11 Os tipos mais comuns de torres (figura 2.5) utilizadas nas montagens de turbinas elicas so as tubulares e as treliadas, construdas em ao e torres que utilizam estai para auxiliar sua sustentao. So projetadas com o objetivo de suportar os esforos de cargas provocadas pela incidncia do vento e as cargas devido ao efeito da gravidade exercido pela turbina situada no topo da torre. Suas fundaes devem ser construdas de forma que no haja ressonncia de freqncia que coincida com a freqncia induzida pelo rotor, evitando danific-las .

(a)

(b)

(c)

Figura 2.5 Tipos mais utilizados de torres: (a) torre treliada; (b) torre tubular; (c) torre com estai. 2.3 Caractersticas dos Componentes Principais para Gerao Eltrica So apresentadas as informaes bsicas que descrevem as caractersticas de um sistema de transmisso mecnica de geradores assncronos utilizados nas turbinas elicas de eixo horizontal. 1) Sistema de Transmisso Mecnica O sistema de transmisso, aps a converso da energia mecnica extrada do vento atravs das ps em energia mecnica de rotao, tem funo de transmitir essa rotao ao gerador eltrico utilizando um conjunto de componentes, que formam esse sistema, tais como os eixos de baixa e alta velocidades de rotao, o multiplicador de velocidade e o sistema de freio do rotor da turbina. Atravs do multiplicador de velocidade proporcionado o aumento de velocidade de rotao do rotor, cuja freqncia assume os valores de 30 e 50 rotaes por minuto (rpm), para freqncias de rotao usuais, no eixo do gerador, de 900 rpm ou 1200 rpm. O sistema de frenagem deve parar o rotor em caso de emergncia. O sistema de transmisso apresenta entre o rotor e o gerador, acoplamentos elsticos, momentos de inrcia e amortecimento relacionados ao multiplicador e aos eixos de baixa e

12 alta velocidades, referindo-se s transferncias de vibraes do rotor e de amortecimento ao funcionamento dinmico da turbina Estanqueiro [8]. A figura 2.6 apresenta as caractersticas de um modelo tpico, por exemplo, relativo ao desempenho dos eixos de baixa e alta velocidade de um sistema de transmisso de uma turbina elica, referindo as grandezas velocidade e torque ao eixo de alta velocidade Estanqueiro [8].Vento Freio J1 Eixo de baixa velocidade J2 2 Eixo de alta velocidade Gerador Multiplicador de velocidade

!

MV

MGE

~

Potncia

Figura 2.6 Sistema de transmisso. O comportamento do sistema de transmisso, considerando as grandezas transferidas ao eixo de alta velocidade, pode ser representado pela transmisso mecnica atravs da Eq.2.1 e da interao entre o rotor e o gerador, presente na Eq. 2.2 J1 1 J2 2

= Q1 Q 3 = Q3 Q2 K

(2.1) (2.2)

J1 momento de inrcia relativo ao eixo de baixa velocidade; J2 momento de inrcia relativo ao eixo de alta velocidade; 1 - ngulo de toro no eixo de baixa velocidade; 2 ngulo de toro no eixo de alta velocidade; K relao de transmisso do multiplicador; Q1 torque no eixo de baixa velocidade; Q2 torque no eixo de alta velocidade; Q3 torque no multiplicador. 2) Geradores As turbinas elicas conectadas rede eltrica utilizam dois tipos de classes de geradores trifsicos de corrente alternada, para realizar a converso de energia mecnica em energia eltrica. As caractersticas de cada gerador so apresentadas a seguir :

a) Geradores Sncronos

13 O gerador sncrono constitudo por duas partes principais: uma fixa, que a carcaa, onde se encontram os ps de fixao, e a outra mvel (girante). A parte fixa chama-se estator e a parte mvel chama-se rotor. Em mquinas rotativas so geradas tenses em enrolamentos, pela rotao mecnica destes em um campo magntico girante, que os atravessa. Um grupo de bobinas, interligadas de modo que todas as tenses nelas geradas contribuam positivamente ao resultado final, chamado de enrolamento de armadura. O circuito magntico completado atravs do ferro de outra pea do gerador. Os enrolamentos de campo, so colocados sobre essa pea para agir como fontes primrias de fluxo. O enrolamento de armadura de uma mquina sncrona est quase sempre no estator e o enrolamento de campo est no rotor. A freqncia em ciclos por segundo (Hertz) igual velocidade do rotor em rotaes por segundo, isto , a freqncia eltrica esta sincronizada com a velocidade mecnica, e esta a razo para a designao de mquina sncrona. A tenso de bobina de uma mquina de P plos passa por um ciclo completo toda vez que um par de plos passa por ela, ou P/2 vezes cada rotao. A freqncia da onda de tenso do gerador sncrono foi correlacionada sua construo, uma vez que a freqncia varia com o nmero de plos - Fitzgerald [10] e fornecida na Eq. 2.3 f = P n 2 60 Hz (2.3)

f freqncia; n - velocidade mecnica em revoluo por minuto; P nmero de plos. Quando um gerador sncrono fornece potncia eltrica a uma carga, a corrente na armadura cria uma onda de fluxo no entreferro, que gira velocidade sncrona. Este fluxo reage com o fluxo criado pela corrente de campo e resulta da um conjugado eletromagntico, devido tendncia dos dois campos magnticos se alinharem. Em um gerador, este conjugado se ope rotao, e a mquina motriz deve aplicar conjugado mecnico a fim de sustentar a rotao. O conjugado eletromagntico o mecanismo atravs do qual maior potncia de sada exige potncia mecnica de entrada maior. Praticamente toda a produo de eletricidade fornecida por geradores dessa classe. Um dos motivos, que devido possibilidade de se controlar a sua corrente de excitao, o gerador sncrono pode gerar potncia reativa e, fornecer essa potncia s necessidade dos consumidores de uma rede eltrica. b) Geradores assncronos Para que haja torque eletromagntico, dois campos magnticos devem interagir. O estator do gerador assncrono produz um campo magntico girante, que rotaciona velocidade sncrona, tal qual no gerador sncrono. Entretanto, o seu rotor que difere por no utilizar uma fonte de excitao externa. preciso que seja induzida uma fora eletromotriz em virtude do movimento relativo entre o campo magntico girante do estator e os condutores do rotor. Caso um torque externo seja aplicado ao rotor de forma que sua velocidade de rotao coincida com a velocidade sncrona igual a do estator, originada da alimentao da fonte de corrente alternada, tem-se como resultado um movimento relativo entre o campo girante e os condutores do rotor igual a zero e no e a fora eletromotriz nula. Porm, com o aumento do torque, a velocidade do rotor passa a ser menor que a velocidade do campo girante, devido ao fluxo que corta os condutores, originando a fora eletromotriz que induzida no rotor, cuja freqncia - Fitzgerald [10] dada pela Eq. 2.4

14 = ws wr 2

f f freqncia da fora eletromotriz (Hz) ;

(2.4)

ws velocidade de rotao do rotor (rpm); ws velocidade sncrona do campo girante( rpm). A corrente que circula nos condutores do rotor geram um campo que rotaciona com uma velocidade que a diferena entre a velocidade de rotao do rotor e da velocidade do campo girante. Por isso, o torque eletromagntico originado pelo campo do rotor tende a se opor ao torque criado pelo campo girante. O ngulo de carga agora maior que 90. Supondo o rotor girando a uma velocidade fixa de "wr rpm" na mesma direo do campo girante do estator e seja "ws rpm" a velocidade sncrona do campo do estator, o rotor gira na velocidade de rotao "ws - wr rpm" em direo contrria do campo do estator, ou o escorregamento do rotor "ws - wr rpm". O escorregamento uma frao da velocidade sncrona, expresso por unidade Fitzgerald [10], dado pela Eq 2.5 s = s escorregamento (por unidade). Na figura 2.7, os componentes principais utilizados para a gerao de eletricidade podem ser observados , a partir de uma turbina elica de eixo horizontal, a qual representa uma turbina padro formada pelo cubo, sistema de giro, caixa de multiplicao de velocidade, eixo principal, geradores e unidade de controle. ws wr ws (2.5)

3

4

5

6

1

21 cubo ; 2 sistema de giro; 3 caixa de multiplicao de velocidade ; 4 - eixo principal; 5 geradores; 6 unidade de controle.

Figura 2.7 Componentes abrigados na nacelle. 2.4 Sistema de Controle

15 O sistema de converso de energia de uma turbina elica est sujeito s foras externas. O fornecimento de energia eltrica pode ser afetado pelas mudanas na velocidade do vento ou devido turbina depender de fatores, tais como a separao do fluxo de ar ao redor da torre ou por uma rede fraca conforme a variao das cargas, por exemplo. Em resposta s influncias externas, consta uma unidade de controle (figura 2.8) operacional e de regulao que deve conciliar o fluxo de energia fornecido pelo sistema com a demanda obtida da rede Heier [13].

Tenso Potncia reativa Energia elica Rotor Energia mecnica Gerador

Sistema de proteo Rede eltrica

Figura 2.8 Converso de energia e controle de produo de eletricidade - turbina elica conectada rede eltrica. A operao de turbinas elicas, devido ao alto grau de variabilidade de energia elica disponvel em um determinado local, necessita de um sistema de controle que fornea condies confiveis sobre as grandezas eltricas e mecnicas. Esse sistema tem funes de monitoramento e de gerenciamento para atuar sob as condies estocsticas impostas pelo comportamento do vento Walker [26]. Alm disso, a conexo da turbina elica rede eltrica deve ser realizada, de acordo com as perfeitas condies dessa rede. O sistema de controle processa os dados de tenso e corrente e freqncia, relativos rede eltrica, de velocidade e de direo de vento, de vibrao da nacelle, de temperatura do gerador e dos sistemas hidrulicos, com o objetivo de estabelecer o funcionamento da turbina dentro de uma determinada faixa de segurana. Um sistema de controle consiste de um ou mais controladores comuns (bought off the shelf encontrados no comrcio), de controladores lgicos programveis (CLP) e controladores analgicos ou hbridos, que fornecem solues rpidas e atraentes Heier [13]. A figura 2.9 apresenta o sistema de controle da turbina elica V27-225 kW, o qual monitora todas as funes crticas da turbina, tais como a velocidade de rotao (rotaes por minuto) do gerador, a produo de potncia e o ngulo de pitch, por exemplo, com o objetivo de assegurar que o seu desempenho seja timo para qualquer condio de vento. O controlador projetado, tambm, para executar o controle e o monitoramento remotos.

controle

Potncia til Rotao do rotor

16

Figura 2.9 - Sistema de controle da turbina de 225 kW.

2.5 Conexo Rede Eltrica A figura 2.10 mostra a rede de distribuio de forma topolgica, por exemplo, onde est instalada a turbina elica V27-225 kW. A energia gerada em baixa tenso (480V), pela turbina, que atravs de um transformador elevador de tenso 480V/13.800V 400kVA, conectada rede eltrica. O transformador utilizado do tipo ecolgico em pedestal, com o objetivo de no causar impacto ao meio ambiente.Concessionria 480V - 3 60 Hz Sistema de controle Turbina elica V27-225 kW 13,8 kV - 3 60 Hz

Linha subterrnea

Linha area

Transformador 400kVA 0,48V/13,8kV

Figura 2.10 - Topologia da rede e instalao eltrica (turbina elica V27-225 kW).

17 2.5.1 Conexo suave Rede Eltrica

Uma dificuldade com a utilizao de geradores assncronos que, quando conectado rede eltrica, apresentam uma corrente chamada que pode atingir at 8 vezes o valor da corrente nominal (corrente de pico - "inrush"), devido ao processo de magnetizao do gerador Freris [11]. Para o estabelecimento de uma partida suave, a turbina elica utiliza um equipamento de partida "soft-start", que realiza a conexo rede eltrica de forma suave Walker [26]. Para uma conexo suave, tanto na partida quanto para o desacoplamento da turbina, deve ser utilizado um banco de tiristores (dois tiristores por fase). O seu funcionamento est relacionado a um aumento ou diminuio do ngulo de disparo destes tiristores, os quais so controlado pelo sistema de controle. A figura 2.11 apresenta o esquema do dispositivo de partida suave utilizado para efetuar a conexo de mquinas de induo rede eltrica.

Contactor de bypass

Figura 2.11 - Tiristores de partida suave para conexo da turbina elica rede . 2.6 Compensao de Reativo O sistema de controle utiliza-se de transdutores de potncia eltrica para controlar a energia reativa consumida pelo gerador e monitora a gerao de energia eltrica. O gerador de induo, embora no esteja gerando potncia ativa, no momento de sua partida, est consumindo energia reativa para magnetizao de suas bobinas. medida que um torque aplicado a potncia ativa injetada na rede eltrica, porm, mais energia reativa absorvida da rede. Esse consumo um problema indesejvel, que leva perdas elevadas na rede. por isso um banco de capacitores conectado ao sistema de gerao da turbina para fornecer potncia reativa. O sistema de compensao ativado aps um determinado tempo da partida do gerador, verificado que os tiristores estejam desligados para que no haja problemas de autoexcitao da mquina e circulao de harmnicos nos capacitores Freris [11].

18 3. TECNOLOGIA DE GERADORES DIESEL So apresentadas as informaes bsicas que descrevem os componentes que formam o grupo gerador diesel, o modelo do regulador de tenso aplicado um gerador sncrono e o modelo do regulador de velocidade aplicado um motor diesel. 3.1 Geradores Diesel Os geradores diesel so constitudos por motores diesel acoplados a geradores de corrente alternada. O motor converte a energia qumica proporcionada pelo combustvel fssil (leo diesel) em energia mecnica, que, por sua vez, atravs do acoplamento entre os eixos do motor e do gerador de corrente alternada faz com que este produza energia eltrica. O modo de funcionamento autnomo dos grupos geradores garantido pelos equipamentos para superviso e controle, monitorando e atuando sobre o fornecimento de energia eltrica s cargas dos consumidores. As demandas a serem atendidas, pelos geradores diesel, podem variar desde simples residncias, at grandes consumidores industriais. Alguns fatores devem ser considerados, dependendo da aplicao dos grupos geradores no atendimento aos variados tipos de cargas dos consumidores, como por exemplo: o nvel de rudo; a capacidade de operar em paralelo com outro grupo ou com a rede local; a capacidade de partida e parada automtica; a telemetria e o controle remoto.

3.2 Geradores Sncronos aplicados Usina Termeltrica Os geradores sncronos so mquinas que transformam a energia mecnica em energia eltrica fundamentando-se no princpio fsico conhecido como Lei de Lenz ("em um meio onde h induo magntica, a direo da fora eletromotriz, fem, induzida tal, que o campo magntico dela resultante tende a se opor ao movimento que produz a fora eletromotriz") Pereira [23]. Os geradores sncronos so mquinas cuja freqncia eltrica diretamente proporcional o nmero de plos magnticos e velocidade da rotao (freqncia mecnica). Os aspectos gerais sobre os geradores sncronos associados em paralelo alimentando uma rede eltrica fornecem dois motivos que justificam tal associao: economia; segurana. As companhias geradoras de energia eltrica procuram produzir o quilowatt-hora pelo menor custo possvel e, entre outros fatores de seu barateamento, consideram o rendimento das mquinas motrizes primrias e dos geradores. Quanto mais elevada a eficincia das mquinas, menor, consequentemente, ser o custo da energia produzida. Como, de um modo geral, o rendimento mximo se verifica nas proximidades da plena carga Seplveda [24], procuram fazer com que as mquinas trabalhem, tanto quanto possvel, nessas condies. Este fato assume carter mais importante, quando se trata de usinas termeltricas, em vista do elevado custo do combustvel. Como a demanda varia durante as vrias horas do dia, principalmente comparando-se os perodos diurnos e noturnos, compreende-se que, com um nico grupo gerador, no se poderia satisfazer a condio de funcionamento na regio dos rendimentos elevados. Por esse motivo, a potncia total da Usina deve ser fracionada em duas ou mais unidades independentes, o que permite ligar todos os geradores quando necessrios ou retirar unidades na medida em que a

19 demanda diminui, conservando, tanto quanto possvel, as unidades operando com valores prximos do ponto de rendimento mximo. Percebe-se que h muito maior garantia e um perfeito e contnuo fornecimento de energia eltrica, quando se dispe de duas ou mais mquinas, ao invs de uma s. Neste ltimo caso, qualquer defeito no conjunto, na mquina motriz ou no gerador, interrompe completamente o fornecimento de energia, o que no acontece no outro caso, quando, no mximo, se limita a quantidade de energia a ser fornecida. Tambm, para que se possa fazer a manuteno preventiva das mquinas e equipamentos da central geradora sem interrupo do fornecimento, necessrio que a central possua pelo menos duas mquinas. 3.2.1 Operao dos Geradores Sncronos em Paralelo

Os geradores sncronos que operam em paralelo devem repartir a carga total em proporo s suas capacidades de sada em quilowatt. Para sincronizar a mquina rede, estas devem ser submetidos s condies necessrias Elgerd [7], tais como: 1. o gerador deve girar com uma velocidade igual do sistema, e no sentido apropriado. Isso conseguido quando a tenso do gerador tiver uma freqncia igual tenso do sistema e ambas apresentarem a mesma seqncia de fases; 2. os fasores tenso, da mquina e do sistema, devero ter mdulos iguais, ou seja, por meio da corrente de campo, deve-se ajustar as foras eletromotrizes do gerador aos valores de tenso da rede; 3. as tenses da mquina e do sistema devem ter fase igual. 3.3 Componente de Controle de Potncia de Geradores Sncronos A potncia ativa em sistema de potncia controlada por meio do controle exercido sobre os conjugados de acionamento dos geradores diesel individuais do sistema. 3.3.1 Regulao de Tenso Para induzir a fora eletromotriz, necessita-se de um circuito magntico o campo do gerador. Pode-se formar o campo por meio de ms permanentes naturais ou por meios eletromagnticos, ao alimentar as bobinas que constituem os plos com corrente contnua. Isto se denomina excitar a mquina por meio de uma fonte de corrente contnua denominada excitatriz Pereira [23]. Para manter constante a tenso de sada do gerador, necessrio regular o sistema de excitao, atravs da variao da intensidade do campo magntico. Portanto, necessita-se de um regulador de tenso, que o elemento capaz de monitorar as variaes de tenso de sada do gerador e atuar diretamente na excitatriz para que essa aumente ou diminua o fluxo do campo magntico, mantendo constante a tenso para qualquer solicitao de carga. A forma construtiva, utilizada para a configurao bsica do sistema de excitao do gerador denominada excitao dinmica. No sistema de excitao dinmica, utiliza-se um gerador de corrente contnua montado no prprio eixo do gerador. Utiliza-se um pequeno gerador de plos fixos, cuja corrente alternada gerada no induzido rotativo retificada por uma ponte retificadora de onda completa, tambm girante, que transfere a corrente retificada diretamente ao campo do gerador, sem a necessidade de escovas Pereira [23].

20 O regulador de tenso compara a tenso de sada do gerador com o valor de referncia ajustado no potencimetro de "ajuste de tenso" e efetua as correes atuando no campo da excitatriz. O diagrama da figura 3.1, por exemplo, representa o modelo do regulador de tenso para simulaes no regime dinmico Elgerd [7]. Comparadores de tenso Amplificador |V|ref(s) E(s) V1(s) kA 1 + sTA V2(s) ExcitadorkE 1 + sTE

Campo do gerador Vr(s)

kr 1 + sTr

|V|(s)

Vst(s)

transformador estabilizador skst 1 + sTst

Figura 3.1. Modelo do regulador de tenso. comparador de tenso: a funo desse dispositivo comparar a tenso diretamente do terminal do gerador, |V|, com uma tenso de referncia, |V|ref,. O valor do erro de tenso obtido, dado pela Eq. (3.1).

E

V

ref

V

= V

ref

(V

ref

+ V ) = V

(3.1)

E erro de tenso; V - tenso terminal do gerador; Vref tenso de referncia. amplificador: pode-se caracterizar esse dispositivo atravs de um fator de ganho KA e uma constante de tempo TA, com um valor tpico inferior a 100 ms. A funo de transferncia para o amplificador apresentado pela Eq. (3.2) V2 (s ) kA = V1(s ) 1 + sTA KA fator de ganho do amplificador; TA constante de tempo do amplificador. excitador: esse dispositivo, nesse sistema, atua tal qual um amplificador, apresentando uma funo transferncia semelhante, como visto na Eq. (3.3). A constante de tempo, TE, do enrolamento do excitador, possui um valor aproximado de 1s. Vr (s ) kE = V2 (s ) 1 + sTE KE fator de ganho do excitador; TE constante de tempo do enrolamento do excitador. campo do gerador: deve-se encontrar uma funo de transferncia para relacionar a tenso do campo do rotor, vr, com a tenso terminal |V|. Aceitando-se a idia de que o gerador (3.3) (3.2)

21 esteja funcionando em aberto ou alimentando um circuito com uma carga muito leve, de modo que sua impedncia vista dos terminais do gerador seja relativamente grande, permite-se o desprezo das correntes do estator. Como resultado, a componente do eixo direto da corrente do estator, id (obtida atravs da transformada de Blondel, aplicada s equaes de Kirchoff para tenses dos circuitos da mquina sncrona Elgerd [7]), ser de valor desprezvel, formando a Eq. (3.4) vr vr tenso do rotor; rr resistncia do enrolamento do rotor; ir corrente de excitao do rotor; L4 indutncia prpria do rotor; A fora eletromotriz do estator igual tenso terminal em condies de vazio, a partir dessa informao, pode-se observar a Eq. (3.5) V = E = wL 5 i r dt (3.5) = rr i r + L4 di r dt (3.4)

V - tenso terminal do gerador; E - fem do gerador; w velocidade do rotor; L5 indutncia mtua entre os enrolamento do rotor e do estator. A funo de transferncia apresentada na Eq. (3.6) obtida a partir das Eq. (3.4) e (3.5). A constante de tempo, Tr, igual, por definio, ao valor (constante) da indutncia prpria do rotor, L4, dividida pela resistncia do enrolamento do rotor rr, apresenta, tipicamente, valor da ordem de vrios segundos. V (s ) V r (s )

=

wL 5 2 (r r + sL 4 )

=

wL 5 2r r

1 L 1 + s 4 rr

kr 1 + sT r

(3.6)

Kr fator de ganho; Tr constante de tempo do enrolamento do rotor. circuito de estabilizao: a funo de transferncia de malha aberta contm trs plos reais negativos, devido malha de controle de tenso conter trs constantes de tempo no denominador. A estabilidade dessa malha, seria prejudicada para altos ganhos de malha. Como a constante de tempo Tr muito grande, necessita-se de um ganho de malha elevado que reduza a resposta de tempo da malha. Isso, tornaria o sistema instvel. Para o procedimento de estabilizao do sistema, utiliza-se um transformador que fornece uma realimentao derivada. Esse dispositivo fornece uma tenso vst, proporcional derivada de ist, e, portanto, proporcional a vr. Essa tenso vst, subtrada do erro de tenso e aplicada ao amplificador. O valor de vst, na sada do transformador, obtido da Eq. (3.7).

22

v st

= M

di st dt

(3.7)

vst tenso do transformador estabilizador; M indutncia mtua do transformador estabilizador; ist corrente do transformador estabilizador. A corrente do primrio do transformador fornecida atravs da Eq. (3.8) di st dt

vr

= Ri st

+ L

(3.8)

R resistncia da bobina do primrio do transformador estabilizador; L indutncia da bobina do primrio do transformador. Ento, da Eq. (3.9), obtm-se a funo de transferncia do transformador estabilizador. Vst (s ) Vr (s ) sM R + sL skst 1 + sTst

=

(3.9)

Kst fator de ganho do transformador estabilizador; Tst - constante de tempo do transformador estabilizador.

3.4 Curva Caracterstica do Gerador Diesel O gerador diesel apresenta um elevado consumo de combustvel funcionando em condio de vazio ( uma carga igual a zero) ou se funcionar por longos perodos com valores de cargas muito baixo, pode acarretar em uma operao indesejvel por causar desgastes nos pistes e nos cilindros Walker [26]. Uma curva linear de consumo de combustvel em funo da potncia eltrica Freris [10] apresentada na figura 3.2. Observa-se que a curva caracterstica do gerador apresenta o consumo mximo de combustvel de 100 l/h atendendo uma gerao de potncia de 400kW. O valor mnimo de potncia est relacionado a um valor mnimo de carga recomendado operao do motor diesel (a cerca de 40% da carga total).

23

120

Consumo de combustvel (litros /h)

100

80

60

40

20

0

0

50

100

150

200 Potncia (kW)

250

300

350

400

Figura 3.2 - Consumo tpico de combustvel de um gerador diesel.

3.5 Motores Diesel realizada uma breve explanao sobre as caractersticas dos motores diesel, relevantes sua funo operacional no sistema de gerao termeltrica e, por conseguinte, a sua participao no sistema hbrido. Os motores diesel so mquinas trmicas de combusto interna, utilizadas para fornecer energia mecnica ou fora motriz de acionamento. O motor diesel classificado como estacionrio destinado ao acionamento de mquinas estacionrias, tais como os geradores eltricos sncronos e constitudo de vrias partes, como por exemplo: admisso de ar; sistema de combustvel (includos os componentes de injeo de leo diesel); sistema de lubrificao; sistema de arrefecimento; exausto ou escapamento dos gases; sistema de partida.

Nos motores diesel, o ar aspirado comprimido no interior dos cilindros, que recebem o combustvel injetado sob presso ao final da compresso do ar. O gs de combusto aspirado ou induzido sob presso to comprimido (temperatura entre 550 e 600 C), que se d a autoignio. A combusto ocorre por auto-ignio, quando o combustvel entra em contato com o ar aquecido devido ser submetido uma presso elevada. O leo diesel uma mistura de hidrocarbonetos, obtido por destilao do petrleo por hidrogenao, sntese ou craqueamento cataltico a baixas temperaturas. Apresenta poder calorfico mdio de 11.000 kcal/kg e um ponto de ebulio entre 200 e 300 C. O motor diesel (figura 3.3) utiliza um mecanismo que transforma os movimentos alternados dos pistes em movimentos rotativos da rvore de manivelas. Atravs desse

24 movimento rotativo, transmitida a energia mecnica aos equipamentos, tais como os geradores de corrente alternada (geradores).

Figura 3.3 - Motor diesel e detalhe interno dos pistes. 3.6 Regulao de Velocidade A regulao de velocidade se refere capacidade do sistema de manter a velocidade prajustada sob cargas variveis. Os motores so providos de equipamentos de controle, atravs dos quais as suas caractersticas podem ser modificadas e as condies de funcionamento podem ser alteradas para se adaptarem s exigncias particulares de carga mecnica. Nos equipamentos de controle so incorporados circuitos para limitar o conjugado do motor durante os perodos de acelerao ou de sobrecarga para obter aceleraes controladas de alta inrcia, para proteger o motor e o equipamento de controle de sobrecorrente e para prevenir que o sistema atinja regies de operao instvel. A mxima quantidade de combustvel que pode ser injetada controlada pelo sistema de controle de velocidade. Quando a rotao do motor tende a cair com o aumento da carga ou a aumentar com a sua reduo, o mecanismo deve ser capaz de controlar essa rotao. So dispositivos, conhecidos como governadores de velocidade de rotao, que asseguram o controle da dosagem de combustvel em funo das solicitaes da carga. Para os motores dos grupos geradores diesel, a regulao da velocidade muito importante, uma vez que a freqncia da tenso gerada no gerador necessita ser mantida constante, ou seja, o motor diesel deve operar em rotao constante, independente das solicitaes da carga. Isto significa que para cada aparelho eltrico que se liga ou desliga, o governador deve corrigir a quantidade de combustvel injetada, sem permitir variaes da velocidade Pereira [23]. Para solucionar o problema, existem trs tipos bsicos de governadores: governadores mecnicos; governadores hidrulicos; governadores eletrnicos. Os governadores eletrnicos so mais utilizados, devido ao seu custo reduzido e por oferecerem a melhor preciso de regulao que se pode conseguir. So compostos pelos seguintes elementos:

25

1) pick-up magntico - uma bobina enrolada sobre um ncleo ferromagntico e instalado na carcaa do volante, com a proximidade adequada dos dentes da cremalheira. Com o motor em funcionamento, cada dente da cremalheira, ao passar prximo ao pick-up magntico, gera um pulso de corrente eltrica que captado pelo regulador; 2) regulador eletrnico (ou unidade de controle) - a freqncia dos pulsos comparada, pelo regulador, com o valor pr-determinado. O regulador altera o fluxo da corrente enviada para o atuador, caso detectada alguma diferena entre esses sinais; 3) atuador - efetua as correes do dbito de combustvel, para mais ou para menos, conforme a necessidade.

3.6.1 Regulador de Velocidade do Motor Diesel necessrio, primeiro, constatar que houve uma variao de velocidade de rotao para, em seguida, efetuar a correo. O tempo de resposta ajustado at um limite mnimo, a partir do qual o funcionamento do motor se torna instvel, por excesso de sensibilidade. Uma vez obtido o melhor tempo de resposta, a quantidade de velocidade rotacional que pode variar dentro deste tempo depende da solicitao da carga. Uma grande variao brusca na carga induz uma variao proporcional da velocidade de rotao. Para a regulao de velocidade, a potncia ativa em um sistema de potncia controlada por meio do controle exercido sobre os conjugados de acionamento dos geradores diesel individuais do sistema. A figura 3.4, por exemplo, representa o modelo linear de primeira ordem do regulador de velocidade para simulaes no regime dinmico de um gerador diesel - Hunter [14].

Po kc kv Tp

Tg 1 Jd s wd

mt

1

Dd + wref

1 Td s

Figura 3.4 - Modelo de primeira ordem de um grupo gerador diesel com regulador de velocidade.

26 A equao diferencial, indicada na Eq. 3.10, descreve a velocidade do gerador diesel, (k v (k c m f p o ) Dd w d T g ) Jd

dw d dt

=

(3.10)

e o consumo de combustvel neste modelo est apresentada na Eq. 3.11 dm f dt = (w d w ref m f / ) Td (3.11)

wd velocidade do motor; wref velocidade de referncia; ganho constante do regulador de velocidade; Td constante de tempo do regulador; mf - consumo do leo diesel; kc constante de eficincia da combusto; Po presso da cmara do motor operando nas condies ideais; Kv volume de combustvel dos pistes; Tp torque produzido; Tf torque por atrito; Tg torque da carga do gerador; Dd constante de perdas por atrito; Jd momento de inrcia total do motor e do gerador.

3.7 Componentes de Superviso e Controle O funcionamento dos sistemas automticos de gerao termeltrica exige que seja requerido o mnimo de interveno humana, nos servios de superviso e controle, de forma que as correes da tenso e da freqncia fornecidas, devem ser realizadas automaticamente. No caso dos grupos geradores diesel, se o funcionamento dos sistemas de lubrificao ou de refrigerao apresentar alguma deficincia, o motor diesel poder sofrer graves danos antes que seja possvel uma interveno do operador. Neste caso, so utilizados dispositivos, tais como as vlvulas de presso e termosttica para atuarem respectivamente na regulao da presso do leo lubrificante e da temperatura da gua de refrigerao. Os motores diesel para aplicao em grupos geradores so dotados de sistemas de proteo, que incluem: a) pressostato do leo lubrificante: tem a funo de comandar a parada do motor diesel quando a presso do leo lubrificante cai abaixo de um valor predeterminado; b) termostato para gua de refrigerao: tem a funo de comandar a parada do motor diesel quando a temperatura do meio refrigerante ultrapassa um valor predeterminado; c) sensor de sobrevelocidade: utilizado para comandar a parada do motor diesel, quando a velocidade de rotao ultrapassa valores pr estabelecidos (geralmente 20% acima da rotao nominal);

27 d) sensor de nvel do lquido de refrigerao: indica a necessidade de completar o nvel do sistema de refrigerao; e) rel taquimtrico: tem a finalidade de desligar o motor de partida quando a rotao do motor diesel ultrapassa determinado valor; f) sensor de ruptura da correia: realizada a parada do motor antes da temperatura da gua se elevar, no caso de ruptura da correia da bomba dgua; g) sensor de freqncia: pode ser utilizado para supervisionar tanto a freqncia do grupo gerador quanto da rede local. Nos grupos geradores equipados com sistemas de partida automtica, comanda o desligamento da rede local e aciona a partida automtica do grupo gerador, ou vice-versa, comanda a parada do grupo gerador e transfere a carga para a rede local quando h anormalidade na freqncia do gerador; h) sensor de tenso da rede e do grupo: atuam como no caso dos sensores de freqncia, comandando a partida e a parada , conforme o caso; i) outros instrumentos: para avaliao de performance o motor diesel dotado de manmetro para o leo lubrificante, termmetro para o sistema de lubrificao, chave de partida, comando de parada manual, indicador de carga da bateria e outros;

28 4. SISTEMAS ISOLADOS NO BRASIL OPERAO COM DIESEL 4.1. Valores de Produo e Consumo de leo Diesel no Brasil Os valores da produo de leo diesel e do seu consumo em diversos setores econmicos no Brasil, na dcada de 1990, so expostos na tabela 4.3. Verifica-se que no ano de 1990 a produo de leo diesel excedeu o consumo, porm nos anos de 1991 1999 o Brasil importou parte do combustvel. Percebe-se a extenso da sua dependncia como fonte estratgica de energia, incluindo sua utilizao para a produo de eletricidade. Observa-se que pela utilizao desse combustvel no setor de transformao (gerao de eletricidade), a economia no consumo de leo diesel apresenta-se como justificativa para serem intensificadas as pesquisas e os empreendimentos direcionados aplicao dos sistemas hbridos elico/ diesel. Tabela 4.3 - Produo e Consumo de leo diesel (1990 1999) - unidade: 103 m3.Fluxo Produo Consumo final Transformao Setor energtico Comercial Pblico Agropecurio Transportes Industrial 1990 24160 23936 653 490 45 94 3710 19232 365 1991 23844 24927 657 516 48 100 3878 20040 345 1992 24300 25540 817 576 50 85 3976 20394 369 1993 23450 26275 721 377 55 92 4394 20914 443 1994 26216 27341 763 282 80 210 4610 21618 541 1995 25879 28949 1084 169 82 211 4910 23014 563 1996 26729 30101 1023 196 81 93 5145 24063 523 1997 27959 31664 1378 211 80 173 5351 25269 580 1998 29409 33107 172 245 87 178 5191 26796 610 1999 32261 33505 1966 280 83 293 5374 26894 581

Fonte: Ministrio das Minas e Energia MME

4.2 Sistemas Isolados - Unidades Termeltricas a leo Diesel no Brasil Os Sistemas Isolados utilizam-se de diversas unidades termeltricas a leo diesel. So responsveis pelo fornecimento de eletricidade mais de 300 localidades remotas , estando a maioria situada na Regio Norte. So responsveis pelo fornecimento de energia eltrica a grandes centros urbanos, tais como Boa Vista, Macap, Manaus, Porto Velho e Rio Branco e por suprir locais remotos. A capacidade total nos Sistemas Isolados, no Brasil, cerca de 1.400 MW ELETROBRS [1]. Na Regio Norte, h um parque gerador de 1.148 MW (que representa 82% da capacidade total). Os restantes 18% esto distribudos pelos Estados do Maranho, Pernambuco, Tocantins, Bahia, Mato Grosso, Mato Grosso do Sul, Paran e Rio Grande do Sul, que apesar de comporem os Sistemas Interligados, possuem Sistemas Isolados de pequeno porte, totalizando 252 MW. 4.3 Projetos de Unidades Termeltricas a leo Diesel A resoluo n. 112/99, estabelece os requisitos necessrios obteno do registro ou autorizao, junto Agncia Nacional de Energia Eltrica - ANEEL, para a implantao, ampliao ou repotenciao de centrais geradoras termeltricas, elicas e de outras fontes renovveis de energia. A aplicao dessa resoluo se estende pessoa jurdica ou empresas reunidas em consrcios interessados em produzir energia eltrica, destinada comercializao de toda ou parte da energia produzida, por sua conta e risco, atravs da figura do Produtor Independente de Energia Eltrica (PIE) ou da pessoa fsica ou jurdica interessada em

29 produzir energia eltrica destinada ao seu uso exclusivo, configurando a presena do Autoprodutor de Energia Eltrica (AP), dependendo de concesso ou autorizao, outorgada na forma da legislao em vigor e do Decreto N. 2.003, de 10 de setembro de 1996. No que se refere resoluo n. 112, alguns Sistemas Isolados que utilizam a produo de energia eltrica atravs das unidades termeltricas a leo diesel em operao esto apresentados na tabela 4.5.

Tabela 4.5 - Capacidade instalada das UTE's a leo diesel por regio, no Brasil. Quantidade N NE 7 1 7 3 1 por Regio S CO 2 2 -

Sistemas Isolados PIE PIE / AP SERVIO PBLICO Em fase de autorizaoFonte: ANEEL.

SE 3 -

Potncia (MW) 576,72 241,90 607,39 22,4

4.4 Legislao Aplicada ao Mercado de Energia Eltrica do Brasil O mercado de energia eltrica do Brasil est se estruturando em busca de um processo de desenvolvimento auto-sustentvel. Os aspectos da Legislao e do Mercado de Energia Eltrica no Brasil fizeram com que o Governo Federal criasse uma lei especfica, a Lei n. 9.648, aprovada em maio de 1998, dando origem ao Mercado Atacadista de Energia Eltrica MAE. A funo do MAE estabelecer um processo comum entre os produtores, distribuidores e consumidores de energia eltrica, para a realizao da comercializao de energia. Foi criado Operador Nacional do Sistema Eltrico (ONS), em julho de 1998, atravs do Decreto n. 2.655. A sua funo supervisionar e controlar a operao dos sistemas interligados de transmisso de energia eltrica. A finalidade de melhorar os custos operacionais e garantir a confiabilidade do sistema. Tambm est sob seus cuidados a administrao das condies de acesso rede, em conseqncia das privatizaes do setor eltrico no Brasil e introduo de competio de tarifas do setor. A reestruturao do setor eltrico brasileiro, com o objetivo de atender a necessidade de descentralizar o suprimento de energia eltrica para a populao brasileira, motiva a criao de incentivos ao desenvolvimento de gerao de energia eltrica a partir de fontes renovveis. O setor eltrico brasileiro assumiu, durante vrias dcadas, parte da responsabilidade dos custos para o desenvolvimento econmico e industrial do pas. Atravs do capital necessrio para o crescimento urbano e industrial e devido explorao dos potenciais hidrulicos, manteve-se a energia eltrica em larga escala e baixo custo. As redes de transmisso de energia foram utilizadas para descentralizar a disponibilidade de energia para as regies afastadas dos centros de gerao. Esse desempenho cumpriu-se nas regies Sul, Sudeste e grande parte das regies Nordeste e Centro-Oeste. Na regio Norte, h localidades, que por questes de obstculos naturais e barreiras logsticas esto associadas localidades de grandes extenses geogrficas. Por isso, tornam-se dependentes da interveno do Governo no custeio dos combustveis fsseis (leo diesel, por exemplo), para que a gerao termeltrica descentralizada possa atender aos consumidores dessas regies com tarifas uniformizadas e compatveis. A Conta de Consumo de Combustveis , em vigor desde 1993, arrecada recursos junto s concessionrias de energia eltrica do sistema interligado, para financiar o leo diesel

30 da gerao termeltrica das reas isoladas, no atendidas pelo servio de eletrificao convencional, principalmente na Regio Norte do Pas. O setor energtico era formado por empresas estatais, at a realizao do programa de privatizao dessas estatais imposto pelo Governo. Atualmente, o setor conta com empresas privadas e pblicas nas reas de gerao, distribuio e transmisso de energia.

4.5 Origem das Contas de Consumo de Combustveis O Governo estabeleceu que os encargos e as vantagens originados do consumo dos combustveis fsseis, utilizados para atender s necessidades do sistema interligado, fossem rateados entre todas as empresas concessionrias, Lei no 5.899/73. As medidas sobre o rateio do custo de consumo de combustveis abrangem todos os distribuidores de energia eltrica atravs da criao da Conta de Consumo de Combustveis, Decreto no. 774/93, art. 22, produzindo-se reservas financeiras para cobertura desse custo. Grande parte da capacidade instalada de gerao termeltrica nacional passou a dispor dos recursos da Conta de Consumo de Combustveis. estabelecido que essa Conta esteja disposta em trs sub-contas distintas: Conta de Consumo de Combustveis destinada a cobrir os custos de combustveis fsseis da gerao termeltrica apresentados no Plano de Operao do Sistema Interligado do Sul, Sudeste e Centro Oeste, tendo como contribuintes todos os concessionrios que atendam aos consumidores finais, conectados a esse sistema interligado; Conta de Consumo de Combustveis aplicada para os custos constantes no Plano de Operao do Sistema Interligado do Norte e Nordeste, com a mesma finalidade que a sub-conta anterior; Conta de Consumo de Combustveis utilizada para os custos apresentados no Plano de Operao dos Sistemas Isolados, tendo como contribuintes todos os concessionrios do pas que atendam a consumidores finais.

4.5.1 Contas de Consumo de Combustveis A Conta de Consumo de Combustveis arrecada recursos junto s concessionrias de energia eltrica do sistema interligado, com a finalidade de suprir os recursos financeiros para a gerao de energia eltrica com o uso de combustveis fsseis, garantir o preo uniforme da energia eltrica fornecida s reas isoladas (em sua maioria, encontradas na Regio Norte do Pas) e atender s necessidades de ponta de consumo dos sistemas interligados. Os recursos da Conta de Consumo de Combustveis so administrados pela ELETROBRS. O papel da Agncia Nacional de Energia Eltrica - ANEEL fixar os valores das cotas anuais da conta de consumo de combustveis, recolhidas mensalmente nas contas de luz pelas distribuidoras de energia eltrica. A ANEEL estabelece os procedimentos para a composio dessa conta e o seu gerenciamento, Resoluo n 350/99.

31 4.5.2 A Aquisio dos Benefcios da Conta de Consumo de Combustveis por Fontes Renovveis de Energia Eltrica. A sistemtica da Conta de Consumo de Combustveis , apesar de subsidiar os combustveis fsseis e uniformizar os preos de energia eltrica para atender s reas isoladas, tambm contribui para a crescente obsolescncia do parque termeltrico do pas. Na medida em que se estabelece a diminuio da utilizao do combustvel fssil, oneram as concessionrias do Sistema Interligado, repassando custos para as tarifas de todos os consumidores finais. Por esses motivos, determinou-se que a gerao eltrica a partir de fontes renovveis de energia, implantadas em Sistemas Isolados, substituindo a gerao termeltrica com derivados de petrleo, deve assumir o benefcio da sistemtica da Conta de Consumo de Combustveis [Lei n. 9.648/98] , oferecendo campo de investimentos s implantaes de sistemas hbridos elicos/diesel, pequenas centrais hidreltricas (PCH's) e outras fontes renovveis.

4.6 Procedimentos para o Gerenciamento da Conta de Consumo de Combustveis A ELETROBRS estabelece as quantidades de combustveis necessrias ao atendimento da gerao termeltrica prevista, atravs do Plano Anual de Combustvel do Sistema Interligado e dos Sistemas Isolados e, determina o aporte financeiro necessrio cobertura das despesas em cada uma das subcontas, com base nos quantitativos apontados. Para a elaborao do Plano Anual de Combustvel, a ELETROBRS utiliza os dados e informaes a seguir: previso da gerao trmica informao fornecida pelo Operador Nacional do Sistema Eltrico para os sistemas Isolados; consumo especfico valores mdios calculados a partir de informaes obtidas das empresas; preos de referncia dos combustveis valores obtidos por meio das Solicitaes de Reembolso - SDR (a Conta de Consumo de Combustveis - Sistemas Isolados reembolsa os dispndios com combustveis que excedam os montantes correspondentes ao respectivo custo da energia hidrulica equivalente, o qual corresponde ao valor de gerao hidrulica que poderia substituir totalmente a gerao trmica, caso os sistemas estivessem completamente interligados); percentual do rateio obtido com base em informaes de vendas diretas a consumidores finais, referente ao ano anterior em que se est realizando o Plano; parque trmico composto pelos dados das autorizaes emitidas pela ANEEL.

4.7 Perspectivas de Evoluo da Conta de Consumo de Combustveis No ano de 2000, mesmo com os recursos da Conta de Consumo de Combustveis transferidos em benefcio de empreendimentos de energia, a partir das fontes renovveis, houve uma certa falta de interesse das empresas de gerao e distribuio, concessionrias ou autorizadas, em desprezarem os recursos das restituies do dinheiro desembolsado aos combustveis fsseis. Nas regies em que se encontram os sistemas isolados, as empresas passam por ajustes, geralmente associados a processos de privatizao. Isso resulta em resistncias de carter estratgico quanto aceitao e implementao de novas regras impostas pela reestruturao do setor de energia eltrica, voltadas tanto para a competio

32 de mercado como entre fontes de energia. H insegurana de produtores independentes ou investidores na rea de gerao quanto ao emprego de capital em projetos de fontes renovveis, uma vez que no tenham previamente assegurada a venda de energia para a concessionria local. No existe obrigatoriedade das empresas concessionrias ou autorizadas de migrarem do uso de combustveis fsseis para o uso de energias renovveis. Mesmo que seja realizado o acordo da venda de energia e haja a aprovao do concessionrio local, do ponto de vista financeiro, o benefcio da sub-rogao para a gerao com fontes renovveis no possibilita a reduo do risco do investidor. O custo financeiro associado ao endividamento inicial do empreendimento mantido.

33 5. SISTEMA HBRIDO ELICO/DIESEL: CONCEITOS O sucesso do projeto e aplicao dos sistemas elicos/diesel com alta penetrao de energia elica est na determinao da quantidade de combustvel economizado. As altas penetraes de energia elica so conseguidas com a aquisio de equipamentos adicionais e sistemas de controle, quando comparado conexo de turbinas elicas padronizadas conectadas rede convencional. Por isso, para que haja vantagem, o custo adicional do equipamento extra e do sistema de controle deve ser pago pela economia adicional de combustvel. Embora, devido ao controle e operao mais complexos, de tal sistema com alta penetrao, a predio do potencial de combustvel economizado de um dado sistema, tambm mais complexa. O desenvolvimento do sistema elico/diesel baseia-se nos conceitos adquiridos com a utilizao de turbinas elicas padronizadas conectadas rede eltrica. O motivo para que sejam utilizadas turbinas padronizadas em projetos de sistemas elicos/diesel porque se torna melhor do que os projetos desenvolvidos apenas para cada aplicao. Por essa razo, os sistemas elicos/diesel consistem basicamente da existncia de turbinas elicas e geradores diesel encontrados no comrcio, com a adio dos componentes para controle de freqncia e de armazenamento de energia quando solicitado e os sistemas de controle supervisrios. A escolha do sistema est entre um nmero de caractersticas fundamentais. Em um sistema elico/diesel, a escolha de qualquer componente especfico passa a necessitar da utilizao de outros componentes. Por isso, pequenas decises sobre os sistemas componentes implicam na definio do sistema inteiro. Por exemplo, uma turbina elica utilizando gerador de induo necessita de potncia reativa para a magnetizao do gerador. A potncia eltrica produzida pela turbina pode ser controlada por um sistema de regulao do ngulo de passo das ps (regulao por pitch) ou por stall. Os geradores diesel em um sistema elico/diesel tm um gerador sncrono auto magnetizado, o qual supre potncia ativa e reativa rede eltrica. As turbinas elicas podem utilizar um gerador sncrono ou assncrono, dependendo do tipo de aplicao a que se destina o sistema. Um sistema hbrido elico/diesel pode incluir armazenamento de energia, tais como em baterias ou em volantes de inrcia. Todos os componentes podem utilizar independentes reguladores os quais regulam, por exemplo, a freqncia, a tenso, independentemente, e muitas vezes incluem funes supervisrias independentes. Por isso, simples conceitos de sistemas elicos/diesel podem ser criados, sem a necessidade de outros sistemas de controle supervisrios, enquanto que sistemas mais avanados devem ter um sistema de controle e monitoramento cujas complexidades aumentaro com a complexidade do conceito do sistema. 5.1 Configuraes de Sistemas Hbridos Elico/Diesel H vrias configuraes combinando diferentes princpios de controle e operao de sistemas hbridos elico/diesel AWEA [27]. So apresentadas quatro configuraes dos sistemas hbridos elicos/diesel que podem ser analisadas como sendo trs delas baseadas sobre as turbinas elicas com geradores de induo e uma baseada sobre turbinas com qualquer tipo de gerador Lundsager [19]. 5.1.1 Turbina Elica/Grupo Gerador Diesel Configurao 1 Um sistema como o da configurao 1 (figura 5.1) o mais simples conceito possvel. Uma turbina elica comercial com um gerador de induo trabalha independentemente como um turbina elica conectada rede, mas a turbina modificada devido utilizao de dump

34 load (dissipador de potncia) com o objetivo de evitar da turbina elica acelerar a rede eltrica em situaes com excesso de energia elica.

Rede de Distribuio Turbina elica Gerador assncrono

Dump load

Motor diesel

Gerador sncrono

Consumidor

Figura 5.1 - Sistema hbrido elico diesel - Configurao 1 No caso mais simples o dissipador de potncia dispe de sua prpria freqncia de controle. o gerador diesel comercial est sempre em operao, assim assegurando a potncia reativa necessria ao funcionamento da turbina. Uma penetrao elica em excesso de 100 % possvel, e o sistema no se utiliza de um sistema de controle supervisrio. A turbina ter um gerador de induo porque a experincia tem mostrado que no praticvel acoplar uma turbina com geradores sncronos diretamente ao gerador sncrono de um grupo gerador diesel. No h armazenagem, isto , no h baterias ou conversores de potncia, mas o sistema simples e a regulao fcil de entender. A economia de combustvel modesta, devido ao alto consumo de combustvel, especfico para o atendimento de parte da carga. Mas ao mesmo tempo o sistema no necessita de um investimento to elevado, para ser implantado. O conceito adequado em situaes onde a mxima segurana mais importante do que a mxima economia de energia. 5.1.2 Turbina elica/Grupo Gerador Diesel Modificado - Configurao 2 O sistema da configurao 2, apresentado na figura 5.2, uma modificao do conceito bsico, no qual o grupo gerador diesel modificado com uma embreagem e um pequeno volante de inrcia entre o motor diesel e seu gerador sncrono. A turbina ainda tem um gerador de induo, e no h armazenagem de energia ou unidade de conservao de potncia. Assim, o gerador de induo da turbina acoplado diretamente contra o gerador

35 sncrono do grupo gerador diesel, e consequentemente as perdas de converso de potncia so pequenas.Rede de Distribuio Turbina elica Gerador assncrono

Dump load Embreagem

Volante de inrcia

Motor diesel

Gerador sncrono

Consumidor

Figura 5.2 Sistema hbrido elica/diesel - Configurao 2 A embreagem torna possvel a parada do motor diesel quando houver potncia suficiente da turbina elica para satisfazer a demanda do consumidor, e nessa situao o dump load necessrio para controlar a freqncia. O gerador sncrono opera, suprindo potncia reativa ao gerador de induo e rede eltrica, enquanto que o volante de inrcia ajuda a suavizar as flutuaes de freqncia e permite rpidas paradas do diesel sem uma queda muito grande na freqncia. O volante de inrcia no um meio de armazenamento de energia visto que pode suprir a potncia nominal por um ou dois segundos apenas. O sistema precisa de um sistema supervisrio de controle para tomar as decises considerando as partidas e paradas do motor diesel, mas um sistema muito simples o suficiente. O sistema da configurao 2 oferece uma considervel simplicidade e um mnimo de componentes eletrnicos. A economia de combustvel maior por causa do combustvel diesel no utilizado ser tambm economizado devido possibilidade de partida e parada do motor diesel, mas uma penalidade adicional o problema associado com as partida e paradas do diesel. O conceito adequado onde um sistema seguro, com uma simples manuteno seja importante, mas onde uma melhor economia de combustvel seja mais importante do que uma simplicidade absoluta. 5.1.3 Turbina Elica/Grupo Diesel Gerador Modificado/Armazenagem: Configurao 3 Um sistema com a configurao 3, exposto na figura 5.3, um sistema de configurao 2 onde um meio de armazenagem de energia adicionado junto com a unidade de converso de potncia. o armazenamento pode ser por uma variedade de dispositivos, tais como banco de baterias, acumuladores hidrulicos, bombas de gua, volantes de inrcia de velocidade varivel, e outros. A capacidade de armazenamento pode ser de curto perodo para um longo perodo (horas ou at dias).

36 Este conceito utiliza turbinas elicas com geradores de induo. Por isso, os grupos geradores diesel tm uma modificao na embreagem e no volante de inrcia. Por causa da armazenagem de energia o motor diesel agora pode ser parado por longos perodos e as horas de operao podem ser diminudas em parte, mas com uma penalidade de uma certa perda em converso de potncia e armazenagem de energia. Entretanto, por causa do gerador de induo a turbina elica pode fornecer um caminho alternativo unidade de converso de potncia e suprir potncia diretamente ao barramento, quando a armazenagem no for utilizada. Isto leva as perdas da converso de potncia a serem minimizadas. O sistema da configurao 3 oferece um razovel grau de simplicidade ao mecanismo e potencialmente uma elevada taxa de economia de combustvel juntamente com a habilidade de apresentar um tipo de falha sem gravidade, desde que possa operar como um sistema de configurao 2 ou at mesmo como um sistema de configurao 1 antes de falhar completamente. A penalidade um controle lgico mais complexo desde que o sistema de controle supervisrio passe a controlar a converso e a armazenagem, e um nmero de configuraes que tenham que ser escolhidas e monitoradas. O desgaste do motor diesel minimizado, como as perdas em dump load e converso de potncia, mas atravs de gastos adicionais de componentes eletrnicos e mecnicos. O conceito adequado em casos onde a armazenagem de energia requerida e onde um mximo de economia de combustvel procurado nos gastos da simplicidade do sistema. Desde que o conceito possa operar em vrios graus de interrupes (falhas) ainda um sistema relativamente robusto.Rede de Distribuio Turbina elica Gerador assncrono

Dump load

Armazenagem de energia Embreagem

Retificador Inversor Volante de inrcia

Motor diesel

Gerador sncrono

consumidor

Figura 5.3 Sistema hbrido elico/diesel - Configurao 3 5.1.4 O Sistema Integrado: Configurao 4 O conceito integrado sobre o sistema da Configurao 4, pode ser visto na figura 5.4, como uma turbina elica auto-suficiente conectada rede eltrica local atravs de uma

37 unidade de converso de potncia com um dispositivo de armazenamento de energia. O grupo gerador diesel em geral sem embreagem, e pode ser operado, sobretudo, como uma unidade de carregamento de baterias, operando ou no em mxima eficincia . A turbina elica pode utilizar geradores de induo ou sncrono, desde que um inversor possa operar em qualquer ngulo de fase e a turbina elica nunca esteja conectada diretamente a rede eltrica. O sistema tem um potencial para mxima utilizao dos recursos de energia, embora a um custo de um mximo de perdas em converso de potncia e armazenagem de energia. No possvel, geralmente, acoplar a turbina elica diretamente ao barramento, e por essa razo as perdas de converso de potncia no podem ser evitadas. O sistema de controle supervisrio deve ser um sistema computadorizado com o objetivo de desempenhar toda as funes necessrias considerando a escolha, regulao, controle e monitoramento de configurao do sistema, e os sistema tem todos os benefcios e desvantagens de um sistema completamente eletrnico. Mecanicamente o sistema to simples como o sistema da configurao 1. Assim, com a simplicidade de um sistema com configurao 1, o sistema de configurao 4 oferece um mximo de otimizaes e versatilidade na operao (operao da velocidade varivel da turbina elica) e potencialmente um mximo de combustvel economizado. Um sistema desse conceito pode ser conectado uma instalao de potncia diesel local sem modificao do diesel j existente. Os problemas so um mximo de complicaes de sistemas de controle e componentes eletrnicos de potncia, e um perda de potncia na converso de energia as quais podem ser considerveis, e os conceito de no poder operar em graus de falha mecnica nos componentes eletrnicos. O conceito adequado em situaes onde a tima economia de combustvel procurada nos gastos de simplicidade dos eletrnicos, e onde suficientemente a mo-de-obra qualificada de operao e manuteno esteja disponvelRede de Distribuio Turbina elica Gerador assncrono

Dump load

Armazenagem de energia

Retificador

Inversor

Motor diesel

Gerador sncrono

consumidor

Figura 5.4 Sistema hbrido elico/diesel - Configurao 4.

38 6. SISTEMA HBRIDO ELICO/DIESEL DE FERNANDO DE NORONHA Em maio de 2000, o Centro Brasileiro de Energia Elica CBEE implantou uma turbina elica de 225kW, na Ilha de Fernando de Noronha, que foi conectada ao Alimentador 01, da rede de distribuio. O planejamento do projeto realizado foi aumentar a penetrao elica na Ilha, atendendo cerca de 25% da solicitao de carga. A turbina de 225 kW estabeleceu a repotenciao do sistema hbrido elico/diesel da Ilha, composto anteriormente por uma turbina elica de 75 kW e pelos geradores diesel da Usina Termeltrica Tubaro. A incluso da turbina de 225 kW ao sistema de gerao de energia eltrica, j existente na Ilha, originou a configurao 1, a qual apresenta os seguintes componentes: trs grupos geradores de 400 kW, fornecendo energia eltrica aos alimentadores 01, 02 e 03, com dois grupos geradores de 400 kW, funcionando como grupos geradores reservas para o caso de manuteno ou fornecendo energia para o alimentador 03, no perodo de alta estao da ilha (capacidade total da termeltrica 2MW); uma turbina elica de 75 kW, instalada em 1992, conectada ao alimentador 02, para atender inicialmente, cerca de 10% da demanda da ilha - Feitosa [9] (atualmente, atende cerca de 4% da demanda) e uma turbina de 225 kW conectada ao alimentador 01. Foi realizada a repotenciao da usina termeltrica, em 2001, para atender a crescente demanda dos consumidores e devido influncia da turbina de 225 kW sobre o sistema de distribuio, originando a configurao 2, a qual apresenta os seguintes componentes: dois grupos geradores diesel de 910 kW e trs outros de 400 kW, fornecendo energia eltrica aos alimentadores 01, 02 e 03 (capacidade total de termeltrica 3MW); uma turbina elica de 225 kW e uma de 75 kW conectadas aos alimentadores 01 e 02. A figura 6.1 apresenta a arquitetura do sistema hbrido elico/diesel implantado na Ilha, apresentando os elementos que compem os sistemas de gerao, nas configuraes 1 e 2.

COMBUSTVEL VENTO

COMBUSTVEL DIESEL

TURBINAS ELICAS

MOTORES DIESEL

Configurao 1: 1 x 75kW e 1 x 225kW Configurao 2: 1 x 225 kW e 1 x 75 kWGERADORES ASSNCRONOS

Configurao 1: 5 x 400 kW Configurao 2: 2 x 910 kW e 3 x 400 kWGERADORES SNCRONOS

CARGAS DOS CONSUMIDORES Figura 6.1. Arquitetura do Sistema Hbrido Elico/Diesel, da Ilha.

39 6.1 Configurao 1: Turbinas Elicas de 75kW e de 225kW/Geradores Diesel 400 kW O sistema hbrido elico/diesel geralmente utilizado para o fornecimento de eletricidade em localidades situadas a grandes distncias da rede eltrica convencional, como por exemplo, as ilhas. Atravs da configurao 1 do sistema hbrido elico/diesel da Ilha de Fernando de Noronha, apresentam-se os componentes utilizados para a produo de eletricidade, a seguir: gerador sncrono, que fornece potncias ativa e reativa rede eltrica, acoplado ao motor diesel (produz a fora motriz utilizada ao acionamento de mquinas estacionrias) ; turbina elica de 75 kW e 225 kW, que utilizam geradores de induo (ou assncrono) para injetar a potncia ativa na rede eltrica. O esquema da configurao 1, apresentado na figura 6.2, indica os componentes de acordo com a situao encontrada para o sistema hbrido elico/diesel instalado na ilha de Fernando de Noronha. Por isso, o dimensionamento dos transformadores na sada dos geradores diesel apresentam valores diferentes dos estabelecidos para desempenharem suas funes, devido aos geradores diesel trabalharem a, no mximo, 75 % de sua capacidade nominal. Os transformadores encontrados estavam sendo utilizados, devido s condies de logstica para reposio de peas na Ilha. Aguardando pelos equipamentos adequados, a partir do continente, para efetuar suas modificaes.Rotor aerodinmico Gerador assncrono 225 kW Y 0.38kV / 13.8kV Gerador assncrono 400 kVA 75kW Y 0.38kV / 13.8kV Gerador sncrono 112.5kVA 3 x 400kW

Iluminao pblica

Cargas comerciais

Motor diesel

Y 0.38kV / 13.8kV 2 x 300kVA

Y 13.8kV / 0.38kV

Cargas residenciais

Gerador sncrono 2 x 400 kW

Outras cargas

Motor diesel RESERVA

Y 0.38kV / 13.8kV 1 x 300kVA

Figura 6.2 - Diagrama unifilar do sistema elico/diesel e cargas da Ilha de Fernando de Noronha, maio de 2000 - Configurao 1.

40 6.2 Turbina Elica de 75kW A turbina elica de 75 kW (figura 6.3) conectada rede eltrica, na Ilha, deu incio ao primeiro sistema hbrido elico/diesel de grande porte, implantado na Amrica Latina Feitosa [9]. Essa turbina apresenta a velocidade de rotao fixa e o ngulo de passo da p constante em relao ao plano de rotao do rotor, para toda velocidade de vento. A turbina de 75 kW utiliza a regulao por stall para atuar no controle da produo de potncia eltrica em condies de altas velocidades de vento.

Figura 6.3 - Turbina elica de 75kW de Fernando de Noronha: potncia nominal 75 kW, dimetro do rotor de 17m e uma torre de 23m de altura.

41 A gerao de energia eltrica atravs da turbina de 75 kW proporcionou a diminuio dos custos elevados do combustvel utilizado pelos geradores diesel na produo de eletricidade, adicionado aos custos do seu transporte at o local da gerao, do armazenamento e de operao e manuteno. Verifica-se que os aspectos scio-econmicos, a natureza ecolgica e as caractersticas geogrficas da Ilha contribuem positivamente para a gerao de energia eltrica a partir da energia elica.

6.2.1 Caractersticas Bsicas da Turbina Elica de 75 kW A caracterizao precisa do vento na Ilha foi importante para a definio das caractersticas de projeto da turbina, adequando a produo de energia s condies do local da sua instalao. Os dados de velocidade e direo de vento, tenso, potncia eltrica e velocidade de rotao das ps foram coletados pelo sistema de aquisio de dados da turbina elica. A qualidade dos componentes mais importantes, tais como: multiplicador de velocidade, sistemas hidrulicos, sistema de adaptao direo do vento, torre e ps imposta a todos os fabricantes de turbinas, os quais esto sujeitos ao controle de qualidade nos padres internacionais. Embora haja a necessidade de uma avaliao coerente dos seus resultados de funcionamento, devido s influncias do local de instalao sobre a turbina elica, por que fabricantes aplicam aos seus produtos critrios de normas diferentes. As caractersticas de projeto e dos componentes da turbina elica esto apresentadas na tabela 6.1.

Tabela 6.1 - Caractersticas da turbina elica 75 kW. Potncia nominal Gerador Tenso Velocidade do Rotor Aerodinmico Controle de potncia Dimetro do rotor Nmero de