Energia Eólica - Princípios e Tecnologia, Notas de estudo de Engenharia Elétrica
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Energia Eólica - Princípios e Tecnologia, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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ENERGIA EÓLICA

PRINCÍPIOS E TECNOLOGIAS

Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito

Energia Eólica

Princípios e Tecnologias

Organização:

Ricardo Dutra

Diagramação e Arte Final: Bruno Montezano

José Carlos E. Ferreira

5

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

1 História da Energia Eólica e suas utilizações 7

1.1 Desenvolvimento dos Aerogeradores no Século XX 10

1.2 A evolução comercial de aerogeradores de grande porte 15

1.3 A potência eólica instalada no mundo 16

2 O Recurso Eólico 18

2.1 Mecanismos de Geração dos Ventos 18

2.2 Fatores que influenciam o regime dos ventos 20

3 Energia e Potência Extraída do Vento 22

4 Tipos de aerogeradores para Geração de Energia Elétrica 29

4.1 Rotores de Eixo Vertical 29

4.2 Rotores de Eixo Horizontal 29

4.3 Mecanismo de Controle 37

5 Sistema Elétrico de um aerogerador e qualidade de energia 42

5.1 Aerogeradores com velocidade constante 42

5.2 Aerogeradores com velocidade variável 43

5.3 Qualidade da energia 44

6 Aplicações dos Sistemas Eólicos 47

6.1 Sistemas Isolados 47

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

6.2 Sistemas Híbridos 48

6.3 Sistemas Interligados à Rede 49

6.4 Sistemas Off-Shore 50

7 Bibliografia 52

Anexo I - Potencial Eólico Brasileiro 57

Anexo II - Parques Eólicos Instalados no Brasil 58

7

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

1 História da Energia Eólica e suas utilizações

Com o avanço da agricultura, o homem necessitava cada vez mais

de ferramentas que o auxiliassem nas diversas etapas do trabalho. Tarefas

como a moagem dos grãos e o bombeamento de água exigiam cada vez

mais esforço braçal e animal. Isso levou ao desenvolvimento de uma

forma primitiva de moinho de vento, utilizada no beneficiamento dos

produtos agrícolas, que constava de um eixo vertical acionado por uma

longa haste presa a ela, movida por homens ou animais caminhado numa

gaiola circular. Existia também outra tecnologia utilizada para o

beneficiamento da agricultura onde uma gaiola cilíndrica era conectada

a um eixo horizontal e a força motriz (homens ou animais) caminhava no

seu interior.

Esse sistema foi aperfeiçoado com a utilização de cursos d’água como

força motriz surgindo, assim, as rodas d’água. Historicamente, o uso das

rodas d’água precede a utilização dos moinhos de ventos devido a sua

concepção mais simplista de utilização de cursos naturais de rios como

força motriz. Como não se dispunha de rios em todos os lugares para o

aproveitamento em rodas d’água, a percepção do vento como fonte natural

de energia possibilitou o surgimento de moinhos de ventos substituindo a

força motriz humana ou animal nas atividades agrícolas.

O primeiro registro histórico da utilização da energia eólica para

bombeamento de água e moagem de grãos através de cata-ventos é

proveniente da Pérsia, por volta de 200 A.C.. Esse tipo de moinho de eixo

vertical veio a se espalhar pelo mundo islâmico sendo utilizado por vários

séculos. Acredita-se que antes da invenção dos cata-ventos na Pérsia, a

China (por volta de 2000 A.C.) e o Império Babilônico (por volta 1700

A.C) também utilizavam cata-ventos rústicos para irrigação (CHESF-

BRASCEP, 1987). (SHEFHERD, 1994)

8

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Mesmo com baixa eficiência devido a suas características, os cata-

ventos primitivos apresentavam vantagens importantes para o

desenvolvimento das necessidades básicas de bombeamento d’água ou

moagem de grãos, substituindo a força motriz humana ou animal. Pouco

se sabe sobre o desenvolvimento e uso dos cata-ventos primitivos da

China e Oriente Médio como também dos cata-ventos surgidos no

Mediterrâneo. Um importante desenvolvimento da tecnologia primitiva

foram os primeiros modelos a utilizarem velas de sustentação em eixo

horizontal encontrados nas ilhas gregas do Mediterrâneo.

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

retorno das Cruzadas há 900 anos. Os cata-ventos foram largamente

utilizados e seu desenvolvimento bem documentado. As máquinas

primitivas persistiram até o século XII quando começaram a ser utilizados

moinhos de eixo horizontal na Inglaterra, França e Holanda, entre outros

países. Os moinhos de vento de eixo horizontal do tipo “holandês” foram

rapidamente disseminados em vários países da Europa. Durante a Idade

Média, na Europa, a maioria das leis feudais incluía o direito de recusar a

permissão à construção de moinhos de vento pelos camponeses, o que os

obrigava a usar os moinhos dos senhores feudais para a moagem dos seus

grãos. Dentro das leis de concessão de moinhos também se estabeleceram

leis que proibiam a plantação de árvores próximas ao moinho assegurando,

assim, o “direito ao vento”. Os moinhos de vento na Europa tiveram, sem

dúvida, uma forte e decisiva influência na economia agrícola por vários

Figura 1 - Principais marcos do desenvolvimento da Energia Eólica no período do Século XI ao Século XIX (Fonte: Dutra, 2001)

Desenvolvimento dos moinhos de vento após

as Cruzadas Utilização dos moinhos para bombeamento na

Holanda e diversificação do seu uso

em toda a Europa

Revolução Industrial Máquina a Vapor

Declínio dos Moinhos de Vento

Século XI XVII XIX XX

9

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

séculos. Com o desenvolvimento tecnológico das pás, sistema de controle,

eixos etc, o uso dos moinhos de vento propiciou a otimização de várias

atividades utilizando-se a força motriz do vento.

Na Holanda, entre os séculos XVII a XIX, o uso de moinhos de vento

em grande escala esteve amplamente relacionado com a drenagem de

terras cobertas pelas águas. A área de Beemster Polder, que ficava três

metros abaixo do nível do mar, foi drenada por 26 moinhos de vento de

até 50 HP cada, entre os anos de 1608 e 1612. Mais tarde, a região de

Schermer Polder também foi drenada por 36 moinhos de vento durante

quatro anos, a uma vazão total de 1.000m3/min.(SHEPHERD, 1994) Os

moinhos de vento na Holanda tiveram uma grande variedade de

aplicações. O primeiro moinho de vento utilizado para a produção de

óleos vegetais foi construído em 1582. Com o surgimento da imprensa e

o rápido crescimento da demanda por papel, foi construído, em 1586, o

primeiro moinho de vento para fabricação de papel. Ao fim do século

XVI, surgiram moinhos de vento para acionar serrarias para processar

madeiras provenientes do Mar Báltico. Em meados do século XIX,

aproximadamente 9.000 moinhos de vento existiam em pleno

funcionamento na Holanda. (WADE, 1979 apud CHESF-BRASCEP, 1987)

O número de moinhos de vento

na Europa nesse período mostra

a importância do seu uso em

diversos países como a Bélgica

(3.000 moinhos de vento),

Inglaterra (10.000 moinhos de

vento) e França (650 moinhos

de vento na região de

Anjou)(CHESF-BRASCEP, 1987).

Figura 2 – Moinho de vento típico da Holanda

10

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Um importante marco para a energia eólica na Europa foi a Revolução

Industrial no final do Século XIX. Com o surgimento da máquina a vapor,

iniciou-se o declínio do uso da energia eólica na Holanda. Já no início do

século XX, existiam apenas 2.500 moinhos de ventos em operação, caindo

para menos de 1.000 no ano de 1960(CHESF-BRASCEP, 1987).

Preocupados com a extinção dos moinhos de vento pelo novo conceito

imposto pela Revolução Industrial, foi criada, em 1923, uma sociedade

holandesa para conservação, melhoria de desempenho e utilização mais

efetiva dos moinhos holandeses.

A utilização de cata-ventos de múltiplas pás destinados ao

bombeamento d’água desenvolveu-se de forma efetiva, em diversos

países, principalmente nas suas áreas rurais. Acredita-se que, desde a

segunda metade do século XIX, mais de 6 milhões de cata-ventos já

teriam sido fabricados e instalados somente nos Estados Unidos para o

bombeamento d’água em sedes de fazendas isoladas e para abastecimento

de bebedouros para o gado em pastagens extensas (CHESF-BRASCEP,

1987). Os cata-ventos de múltiplas pás foram usados também em outras

regiões como a Austrália, Rússia, África e América Latina. O sistema se

adaptou muito bem às condições rurais tendo em vista suas características

de fácil operação e manutenção. Toda a estrutura era feita de metal e o

sistema de bombeamento era feito por meio de bombas e pistões,

favorecidos pelo alto torque fornecido pela grande número de pás. Até

hoje esse sistema é largamente usado em várias partes do mundo para

bombeamento d’água.

1.1 Desenvolvimento dos Aerogeradores no Século XX

Com o avanço da rede elétrica, foram feitas, também no início do

século XX, várias pesquisas para o aproveitamento da energia eólica em

geração de grandes blocos de energia. Enquanto os Estados Unidos estavam

difundindo o uso de aerogeradores de pequeno porte nas fazendas e

residências rurais isoladas, a Rússia investia na conexão de aerogeradores

de médio e grande porte diretamente na rede.

11

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

O início da adaptação dos cata-ventos para geração de energia elétrica

teve início no final do século XIX. Em 1888, Charles F. Bruch, um industrial

voltado para eletrificação em campo, ergueu na cidade de Cleveland, Ohio,

o primeiro cata-vento destinado à geração de energia elétrica. Tratava-se

de um cata-vento que fornecia 12kW em corrente contínua para

carregamento de baterias, as quais eram destinadas, sobretudo, para o

fornecimento de energia para 350 lâmpadas incandescentes (SCIENTIFIC

AMERICAN, 1890 apud SHEFHERD,1994) (RIGHTER,1991 apud

SHEFHERD,1994). Bruch utilizou-se da configuração de um moinho para

o seu invento. A roda principal, com suas 144 pás, tinha 17m de diâmetro

em uma torre de 18m de altura. Todo o sistema era sustentado por um

tubo metálico central de 36cm que possibilitava o giro de todo o sistema

acompanhando, assim, o vento predominante. Esse sistema esteve em

operação por 20 anos, sendo desativado em 1908. Sem dúvida, o cata-

vento de Bruch foi um marco na utilização dos cata-ventos para a geração

de energia elétrica.

O invento de Bruch apresentava três importantes inovações para o

desenvolvimento do uso da energia eólica para geração de energia elétrica.

Em primeiro lugar, a altura utilizada pelo invento estava dentro das

categorias dos moinhos de ventos utilizados para beneficiamento de grãos

e bombeamento d’água. Em segundo lugar, foi introduzido um mecanismo

de grande fator de multiplicação da rotação das pás (50:1) que funcionava

em dois estágios, possibilitando um máximo aproveitamento do dínamo

cujo funcionamento estava em 500rpm. Em terceiro lugar, esse invento foi

a primeira e mais ambiciosa tentativa de se combinar a aerodinâmica e a

estrutura dos moinhos de vento com as recentes inovações tecnológicas

na produção de energia elétrica.

Um dos primeiros passos para o desenvolvimento de turbinas eólicas

de grande porte para aplicações elétricas foi dado na Rússia em 1931. O

aerogerador Balaclava (assim chamado) era um modelo avançado de

100kW conectado, por uma linha de transmissão de 6,3kV de 30km, a

12

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

uma usina termelétrica de 20MW. Essa foi a primeira tentativa bem

sucedida de se conectar um aerogerador de corrente alternada com uma

usina termelétrica (SEKTOROV, 1934 apud SHEFHERD, 1994). A energia

medida foi de 280.000kWh.ano, o que significa um fator médio de

utilização de 32%. O gerador e o sistema de controle ficavam no alto da

torre de 30 metros de altura, e a rotação era controlada pela variação do

ângulo de passo das pás. O controle da posição era feito através de uma

estrutura em treliças inclinada apoiada sobre um vagão em uma pista

circular de trilhos. (CHESF-BRASCEP, 1987) ( SHEFHERD, 1994).

Figura 3 - Principais marcos do desenvolvimento da Energia Eólica no Século XX (Fonte: Dutra, 2001)

Após o desenvolvimento desse modelo, foram projetados outros

modelos mais ambiciosos de 1MW e 5MW. Aparentemente esses projetos

não foram concluídos devido à forte concorrência de outras tecnologias,

principalmente a tecnologia de combustíveis fósseis que, com o surgimento

de novas reservas, tornava-se mais competitiva economicamente

contribuindo, assim, para o abandono de projetos ambiciosos de

aerogeradores de grande porte.

A Segunda Guerra Mundial (1.939-1.945) contribuiu para o

desenvolvimento dos aerogeradores de médio e grande porte, uma vez

que os países em geral empenhavam grandes esforços no sentido de

Participação de vários países em pesquisas de

aerogeradores de grande porte Novos Investimentos

em pesquisa em Energia Eólica

Uso intensivo de Combustíveis

Fósseis

Desenvolvimento da Indústria Alemã

Turbinas Eólicas de 2 a 5 MW

Usinas Eólicas OffShore

Choque do Petróleo

1900 II Guerra 1990 20001970 1980

Acidente de Chernobyl

Desenvolvimento e utilização de turbinas eólicas de pequeno porte para suprimento de energia em

comunidades isoladas

13

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

economizar combustíveis fósseis. Os Estados Unidos desenvolveram um

projeto de construção do maior aerogerador até então projetado. Tratava-

se do aerogerador Smith-Putnam cujo modelo apresentava 53,3m de

diâmetro, uma torre de 33,5m de altura e duas pás de aço com 16

toneladas. Na geração elétrica, foi usado um gerador síncrono de 1.250kW

com rotação constante de 28rpm, que funcionava em corrente alternada,

conectado diretamente à rede elétrica local (VOADEN,1943 apud

SHEFHERD, 1994) (PUTNAM,1948 apud SHEFHERD, 1994) (KOEPPL,

1982 apud SHEFHERD, 1994). Esse aerogerador iniciou seu funcionamento

em 10 de outubro de 1941, em uma colina de Vermont chamada

Grandpa’s Knob. Em março de 1945, após quatro anos de operação

intermitente, uma das suas pás (que eram metálicas) quebrou-se por fadiga

(SHEFHERD, 1994) (EWEA, 1998A).

Após o fim da Segunda Guerra, os combustíveis fósseis voltaram a

abundar em todo o cenário mundial. Um estudo econômico na época

mostrava que aquele aerogerador não era mais competitivo e, sendo assim,

o projeto foi abandonado. Esse projeto foi pioneiro na organização de

uma parceria entre a indústria e a universidade, objetivando pesquisas e

desenvolvimento de novas tecnologias voltadas para a geração de energia

elétrica através dos ventos. Essa parceria viabilizou o projeto com o maior

número de inovações tecnológicas até então posto em funcionamento.

De uma forma geral, após a Segunda Guerra Mundial, o petróleo e

grandes usinas hidrelétricas se tornaram extremamente competitivos

economicamente, e os aerogeradores foram construídos apenas para fins

de pesquisa , utilizando e aprimorando técnicas aeronáuticas na operação

e desenvolvimento de pás, além de aperfeiçoamentos no sistema de

geração. A Inglaterra, durante a década de cinqüenta, promoveu um grande

estudo anemométrico em 100 localidades das Ilhas Britânicas culminando,

em 1955, com a instalação de um aerogerador experimental de 100kW

em Cape Costa, Ilhas Orkney (CHESF-BRASCEP, 1987) (DIVONE, 1994).

Também na década de cinqüenta, foi desenvolvido um raro modelo de

aerogerador de 100kW com as pás ocas e com a turbina e gerador na base

14

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

da torre. Ambos os modelos desenvolvidos na Inglaterra foram

abandonados por problemas operacionais e principalmente por

desinteresse econômico.

A Dinamarca, no período inicial da 2º Guerra Mundial, apresentou

um dos mais significativos crescimentos em energia eólica em toda Europa.

Esse avanço deu-se sob a direção dos cientistas dinamarqueses Poul la

Cour e Johannes Juul (JUUL, 1964 apud DIVONE, 1994). Sendo um país

pobre em fontes energéticas naturais, a utilização da energia eólica teve

uma grande importância quando, no período entre as duas guerras

mundiais, o consumo de óleo combustível estava racionado. Durante a

2º Guerra Mundial, a companhia F.L.Smidth (F.L.S) foi a pioneira no

desenvolvimento de uma série de aerogeradores de pequeno porte, na

faixa de 45kW. Nesse período, a energia eólica na Dinamarca produzia,

eventualmente, cerca de 4 milhões de quilowatt-hora anuais, dada a grande

utilização dessas turbinas em todo o país. O sucesso dos aerogeradores

de pequeno porte da F.L.S, que ainda operavam em corrente contínua,

possibilitou um projeto de grande porte ainda mais ousado. Projetado

por Johannes Juul, um aerogerador de 200kW com 24m de diâmetro de

rotor foi instalado nos anos de 1956 e 1957 na ilha de Gedser. Esse

aerogerador apresentava três pás e era sustentado por uma torre de

concreto. O sistema forneceu energia em corrente alternada para a

companhia elétrica SydÆstsjaellands Elektricitets Aktieselskab (SEAS), no

período entre 1958 e 1967, quando o fator de capacidade atingiu a meta

de 20% em alguns dos anos de operação. (DIVONE, 1994) (EWEA, 1998a)

A França também se empenhou nas pesquisas de aerogeradores

conectados à rede elétrica. Entre 1958 e 1966 foram construídos diversos

aerogeradores de grande porte. Entre os principais estavam três

aerogeradores de eixo horizontal e três pás. Um dos modelos apresentava

30 metros de diâmetro de pá com potência de 800 kW a vento de 16,5m/s.

Esse modelo esteve em operação, conectado à rede EDF, nos anos de

1958 a 1963 (CHESF-BRASCEP, 1987) (BONNEFILLE, 1974 apud DIVONE,

15

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

1994). Todo o sistema elétrico funcionou em estado satisfatório, o que

não ocorreu, entretanto, com diversas partes mecânicas. O mais importante

desse projeto foi, sem dúvida, o bom funcionamento interligado à rede

elétrica de corrente contínua. O segundo aerogerador apresentava 21

metros de diâmetro operando com potência de 132kW a vento de 13,5m/

s; foi instalado próximo ao canal inglês de Saint-Remy-des-Landes, onde

operou com sucesso durante três anos, com um total de 60 dias em

manutenção por problemas diversos (CHESF-BRASCEP, 1987) (DIVONE,

1994). O terceiro aerogerador operou por apenas sete meses entre 1963

e 1964. Tratava-se de um aerogerador que operava com potência de

1.085kW a vento de 16,5m/s, apresentava três pás com um rotor de 35m.

Esses três protótipos mostraram claramente a possibilidade de se conectar

aerogeradores à rede de distribuição de energia elétrica. (DIVONE, 1994)

Durante o período entre 1955 e 1968, a Alemanha construiu e operou

um aerogerador com o maior número de inovações tecnológicas na época.

Os avanços tecnológicos desse modelo persistem até hoje na concepção

dos modelos atuais, mostrando o seu sucesso de operação. Tratava-se de

um aerogerador de 34 metros de diâmetro operando com potência de

100kW, a ventos de 8m/s (HÜTTER, 1973, 1974 apud DIVONE, 1994).

Esse aerogerador possuía rotor leve em materiais compostos, duas pás a

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

torre de tubos estaiada; operou por mais de 4.000 horas entre 1957 e

1968. As pás, por serem feitas de materiais compostos, aliviaram os esforços

em rolamentos, diminuindo assim os problemas de fadiga. Essa inovação

mostrou ser muito mais eficiente comparada aos modelos até então feitos

de metais. Em 1968, quando o modelo foi desmontado e o projeto

encerrado por falta de verba, as pás do aerogerador apresentavam perfeitas

condições de uso (CHESF-BRASCEP, 1987) (DIVONE, 1994).

16

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

1.2 A evolução comercial de aerogeradores de grande porte

O comércio de aerogeradores no mundo se desenvolveu rapidamente

em tecnologia e tamanhos durante os últimos 15 anos. A figura 4 mostra

o impressionante desenvolvimento do tamanho e da potência de

aerogeradores desde 1985.

Figura 4 - Evolução dos aerogeradores desde 1985 até 2005 (Fonte: DEWI, 2.005)

1.3 A potência eólica instalada no mundo

O perfil do crescimento da energia eólica na década de 90 indica

perspectivas promissoras para o crescimento da indústria eólica mundial

para as próximas décadas. Mesmo considerando-se uma desaceleração

no aumento da potência instalada nos últimos anos, a procura por novos

mercados e o desenvolvimento de turbinas eólicas de maior porte mostram

boas perspectivas para um crescimento mais sustentável e não tão

acelerado para a próxima década. A tabela 1 mostra a potência eólica

instalada em diversos países desde 1998.

17

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Potência acumulada ao final de cada ano [MW]

PAÍS 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 Estados Unidos

25.170,0 16.818,8 11.603,0 9.149,0 6.752,0 6.352,0 4.685,0 4.258,0 2.564,0 2.534,0 1.820,0 1.673,0

Alemanha 23.902,8 22.247,4 20.622,0 18.427,5 16.628,0 14.609,0 12.400,0 8.754,0 6.095,0 4.443,0 2.875,0 2.081,0

Espanha 16.740,3 15.145,1 11.630,0 10.027,9 8.263,0 6.202,0 4.830,0 3.337,0 2.535,0 1.542,0 834,0 512,0

China 12.210,0 5.912,0 2.599,0 1.266,0 764,0 566,0 468,0 404,0 352,0 262,0 500,0 166,0

Índia 9.587,0 7.850,0 6.270,0 4.430,0 2.983,0 2.120,0 1.702,0 1.500,0 1.260,0 1.035,0 992,0 940,0

Itália 3.736,0 2.726,1 2.123,4 1.718,3 1.265,0 891,0 785,0 697,0 427,0 183,0 178,0 103,0

França 3.404,0 2.455,0 1.567,0 757,2 390,0 240,0 131,0 116,0 63,0 25,0 21,0 10,0

Reino Unido 3.287,9 2.389,0 1.962,9 1.353,0 897,0 704,0 552,0 483,0 409,0 347,0 333,0 319,0

Dinamarca 3.160,0 3.125,0 3.136,0 3.128,0 3.118,0 3.115,0 2.880,0 2.534,0 2.415,0 1.771,0 1.383,0 1.148,0

Portugal 2.862,0 2.130,0 1.716,0 1.022,0 523,0 299,0 194,0 153,0 111,0 61,0 51,0 38,0

Canadá 2.369,0 1.846,0 1.460,0 683,0 444,0 326,0 221,0 198,0 137,0 125,0 82,0 25,0

Holanda 2.225,0 1.747,0 1.559,0 1.224,0 1.078,0 912,0 686,0 497,0 442,0 411,0 361,0 319,0

Japão 1.880,0 1.528,0 1.309,0 1.040,0 940,0 644,0 415,0 316,0 142,0 68,0 30,0 18,0

Austrália 1.494,0 817,3 817,3 579,0 380,0 198,0 104,0 71,0 30,0 9,0 9,0 11,0

Irlanda 1.244,7 805,0 746,0 495,2 353,0 225,0 137,0 125,0 119,0 73,0 73,0 53,0

Suécia 1.066,9 831,0 571,2 509,1 442,0 399,0 328,0 290,0 241,0 215,0 174,0 122,0

Áustria 994,9 981,5 964,5 819,0 607,0 415,0 139,0 95,0 77,0 42,0 30,0 20,0

Grécia 989,7 873,3 757,6 573,3 466,0 398,0 276,0 299,0 274,0 158,0 55,0 29,0

Polônia 472,0 276,0 153,0 73,0 58,0 58,0 27,0 51,0 5,0 5,0 5,0 2,0

Noruega 428,0 333,0 325,0 268,0 160,0 112,0 97,0 17,0 13,0 9,0 9,0 4,0

Egito 390,0 310,0 230,0 145,0 145,0 69,0 69,0 69,0 69,0 36,0 6,0 5,0

Bélgica 383,6 286,9 194,3 167,4 97,0 68,0 44,0 31,0 13,0 6,0 6,0 4,0

Taiwan 358,2 279,9 187,7 103,7 nd nd nd nd nd nd nd nd

Brasil 338,5 247,1 236,9 28,6 28,6 28,6 24,0 24,0 22,0 17,0 17,0 3,0

Turquia 333,4 206,8 64,6 20,1 20,0 20,0 19,0 19,0 19,0 9,0 9,0 - Nova Zelândia

325,3 321,8 171,0 168,2 170,0 38,0 35,0 35,0 35,0 24,0 24,0 4,0

Coréia do Sul

278,0 192,1 176,3 119,1 8,0 8,0 nd nd nd nd nd 2,0

Bulgária 157,5 56,9 36,0 14,0 nd nd nd nd nd nd nd nd

República Tcheca

150,0 116,0 56,5 29,5 nd nd nd nd nd nd nd nd

Finlândia 140,0 110,0 86,0 82,0 82,0 47,0 41,0 39,0 39,0 18,0 18,0 12,0

Hungria 127,0 65,0 60,9 17,5 nd nd nd nd nd nd nd nd

Marrocos 125,2 125,2 64,0 64,0 54,0 54,0 54,0 54,0 54,0 14,0 nd nd

Ucrânia 90,0 89,0 85,6 77,3 57,0 51,0 nd nd nd nd nd 5,0

México 85,0 85,0 84,0 2,2 nd nd nd nd nd nd nd nd

Irã 82,0 66,5 47,4 31,6 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0

Estónia 78,3 58,6 33,0 33,0 nd nd nd nd nd nd nd nd

Costa Rica 74,0 74,0 74,0 71,0 71,0 71,0 71,0 71,0 51,0 51,0 27,0 20,0

Lituânia 54,4 52,3 55,0 7,0 nd nd nd nd nd nd nd nd

Luxemburgo 35,3 35,3 35,3 35,3 35,0 16,0 16,0 15,0 15,0 9,0 9,0 2,0

Letónia 30,0 27,4 27,4 27,4 nd nd nd nd nd nd nd nd

Argentina 29,8 29,8 27,8 26,8 26,0 26,0 27,0 27,0 16,0 14,0 14,0 9,0

Outros Países

298,2 254,7 225,2 210,9 239,0 141,0 569,0 337,0 394,0 405,0 197,0 22,0

Total 121.188 93.927 74.151 59.024 47.555 39.434 32.037 24.927 18.449 13.932 10.153 7.692

(Fonte: WWEA, 2009, 2008, 2006, WINDPOWER MONTHLY, 2004, 2006, NEW ENERGY, 2003, 2002, 2000, BTM CONSULT, 2000)

Tabela 1 - Utilização internacional da energia eólica.

18

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

A energia eólica provém da radiação solar uma vez que os ventos são

gerados pelo aquecimento não uniforme da superfície terrestre. Uma

estimativa da energia total disponível dos ventos ao redor do planeta pode

ser feita a partir da hipótese de que, aproximadamente, 2% da energia

solar absorvida pela Terra é convertida em energia cinética dos ventos.

Este percentual, embora pareça pequeno, representa centena de vezes a

potência anual instalada nas centrais elétricas do mundo.

Os ventos que sopram em escala global e aqueles que se manifestam

em pequena escala são influenciados por diferentes aspectos, entre os

quais destacam-se a altura, a rugosidade, os obstáculos e o relevo.

A seguir serão descritos os mecanismos de geração dos ventos e os

principais fatores de influência no regime dos ventos de uma região.

2.1 Mecanismos de Geração dos Ventos

A energia eólica pode ser considerada como uma das formas em que

se manifesta a energia proveniente do Sol, isto porque os ventos são

causados pelo aquecimento diferenciado da atmosfera. Essa não

uniformidade no aquecimento da atmosfera deve ser creditada, entre outros

fatores, à orientação dos raios solares e aos movimentos da Terra.

As regiões tropicais, que recebem os raios solares quase que

perpendicularmente, são mais aquecidas do que as regiões polares.

Conseqüentemente, o ar quente que se encontra nas baixas altitudes das

regiões tropicais tende a subir, sendo substituído por uma massa de ar

mais frio que se desloca das regiões polares. O deslocamento de massas

de ar determina a formação dos ventos. A figura 5 apresenta esse

mecanismo.

2 O Recurso Eólico

19

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Existem locais no globo terrestre nos quais os ventos jamais cessam

de “soprar”, pois os mecanismos que os produzem (aquecimento no

equador e resfriamento nos pólos) estão sempre presentes na natureza.

São chamados de ventos planetários ou constantes, e podem ser

classificados em:

• Alísios: ventos que sopram dos trópicos para o Equador, em baixas

altitudes.

• Contra-Alísios: ventos que sopram do Equador para os pólos, em

altas altitudes.

• Ventos do Oeste: ventos que sopram dos trópicos para os pólos.

• Polares: ventos frios que sopram dos pólos para as zonas

temperadas.

Figura 5 - Formação dos ventos devido ao deslocamento das massas de ar. (Fonte: CEPEL, 2001)

Tendo em vista que o eixo da Terra está inclinado de 23,5o em relação

ao plano de sua órbita em torno do Sol, variações sazonais na distribuição

de radiação recebida na superfície da Terra resultam em variações sazonais

na intensidade e duração dos ventos, em qualquer local da superfície

terrestre. Como resultado surgem os ventos continentais ou periódicos e

compreendem as monções e as brisas.

20

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

As monções são ventos periódicos que mudam de direção a cada seis

meses aproximadamente. Em geral, as monções sopram em determinada

direção em uma estação do ano e em sentido contrário em outra estação.

Em função das diferentes capacidades de refletir, absorver e emitir o

calor recebido do Sol, inerentes à cada tipo de superfície (tais como mares

e continentes), surgem as brisas que caracterizam-se por serem ventos

periódicos que sopram do mar para o continente e vice-versa. No período

diurno, devido à maior capacidade da terra de refletir os raios solares, a

temperatura do ar aumenta e, como conseqüência, forma-se uma corrente

de ar que sopra do mar para a terra (brisa marítima). À noite, a temperatura

da terra cai mais rapidamente do que a temperatura da água e, assim,

ocorre a brisa terrestre que sopra da terra para o mar. Normalmente, a

intensidade da brisa terrestre é menor do que a da brisa marítima devido à

menor diferença de temperatura que ocorre no período noturno.

Sobreposto ao sistema de geração dos ventos descrito acima,

encontram-se os ventos locais, que são originados por outros mecanismos

mais específicos. São ventos que sopram em determinadas regiões e são

resultantes das condições locais, que os tornam bastante individualizados.

A mais conhecida manifestação local dos ventos é observada nos vales e

montanhas. Durante o dia, o ar quente nas encostas da montanha se eleva

e o ar mais frio desce sobre o vale para substituir o ar que subiu. No

período noturno, a direção em que sopram os ventos é novamente

revertida, e o ar frio das montanhas desce e se acumula nos vales.

2.2 Fatores que influenciam o regime dos ventos

O comportamento estatístico do vento ao longo do dia é um fator que

é influenciado pela variação de velocidade do vento ao longo do tempo.

As características topográficas de uma região também influenciam o

comportamento dos ventos uma vez que, em uma determinada área, podem

ocorrer diferenças de velocidade, ocasionando a redução ou aceleração

na velocidade do vento. Além das variações topográficas e de rugosidade

do solo, a velocidade também varia seu comportamento com a altura.

21

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Mar Grama

Rugosidade

Vento

Brisa

Vento

Nuvem

Ascendente

Descendente

Árvores Morro Floresta Construção Cidade Montanha e Vale

Sol

Tendo em vista que a velocidade do vento pode variar

significativamente em curtas distâncias (algumas centenas de metros), os

procedimentos para avaliar o local, no qual se deseja instalar turbinas

eólicas, devem levar em consideração todos os parâmetros regionais que

influenciam nas condições do vento. Entre os principais fatores de

influência no regime dos ventos destacam-se:

• A variação da velocidade com a altura;

• A rugosidade do terreno, que é caracterizada pela vegetação,

utilização da terra e construções;

• Presença de obstáculos nas redondezas;

• Relevo que pode causar efeito de aceleração ou desaceleração no

escoamento do ar.

As informações necessárias para o levantamento das condições

regionais podem ser obtidas a partir de mapas topográficos e de uma

visita ao local de interesse para avaliar e modelar a rugosidade e os

obstáculos. O uso de imagens aéreas e dados de satélite também

contribuem para uma análise mais acurada.

A figura 6 mostra, de uma forma genérica, como os ventos se

comportam quando estão sob a influência das características da superfície

do solo.

Figura 6 - Comportamento do vento sob a influência das características do terreno (Fonte: Atlas Eólico do Brasil, 1998)

22

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

A energia cinética de uma massa de ar m em movimento a uma

velocidade v é dada por:

(3.1)

Considerando a mesma massa de ar m em movimento a uma velocidade

v, perpendicular a uma sessão transversal de um cilindro imaginário (figura

7), pode-se demonstrar que a potênica disponível no vento que passa pela

seção A, transversal ao fluxo de ar, é dada por:

(3.2)

Onde:

P = potência do vento [W]

ñ = massa específica do ar [kg/m3]

A = área da seção transversal [m2]

v = velocidade do vento [m/s]

3 Energia e Potência Extraída do Vento

2 2 1mvE =

3 2 1 ρAvP =

Figura 7 - Fluxo de ar através de uma área transversal A

23

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

A expressão 3.2 também pode ser escrita por unidade de área,

definindo, desta forma, a densidade de potência DP, ou fluxo de potência:

(3.3)

Ao reduzir a velocidade do deslocamento da massa de ar, a energia

cinética do vento é convertida em energia mecânica através da rotação

das pás. A potência disponível no vento não pode ser totalmente

aproveitada pelo aerogerador na conversão de energia elétrica. Para levar

em conta esta característica física, é introduzido um índice denominado

coeficiente de potência cp, que pode ser definido como a fração da potência

eólica disponível que é extraída pelas pás do rotor.

Para determinar o valor máximo desta parcela de energia extraída do

vento (cp máximo), o físico alemão Albert Betz considerou um conjunto

de pás em um tubo onde v1 representa a velocidade do vento na região

anterior às pás, v2 a velocidade do vento no nível das pás e v3 a velocidade

no vento após deixar as pás, conforme apresentado na figura 8.

3 2 1 ρv

A PDP ==

Figura 8 – Perdas de velocidade do vento na passagem por um conjunto de pás.

Como na figura 8, Betz assume um deslocamento homogêneo do fluxo

de ar a uma velocidade v1 que é retardada pelo conjunto de pás, assumindo

uma velocidade v3a jusante das pás. Pela lei da continuidade, temos que:

24

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

(3.4)

Como a redução da pressão do ar é mínima, a densidade do ar pode

ser considerada constante. A energia cinética extraída pelo aerogerador é

a diferença entre a energia cinética a montante e a energia cinética a jusante

do conjunto de pás:

(3.5)

A potência extraída do vento por sua vez é dada por:

(3.6)

Neste ponto é necessário fazer duas considerações extremas sobre a

relação entre as velocidades v1 e v3:

A velocidade do vento não é alterada (v1 = v3) – Neste caso nenhuma

potência é extraída;

A velocidade do vento é reduzida a valor zero (v3 = 0) – Neste caso o

fluxo de massa de ar é zero, o que significa também que nenhuma potência

seja retirada.

A partir dessas duas considerações extremas, a velocidade referente

ao máximo de potência extraída é um valor entre v1 e v3. Este valor pode

ser calculado se a velocidade no rotor v2 é conhecida. A massa de ar é

dada por:

(3.7)

Pelo teorema de Rankine-Froude, pode-se assumir que a relação entre

as velocidades v1 , v2 e v3 é dada por:

(3.8)

332211 AρvAρvAρv ==

)vm(vEex 2 3

2 12

1 −=

)v(vmEex 2 3

2 12

1 −= &&

2ρAvm =&

2 31

2 vv

v +

=

25

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Se a massa de ar apresentada na equação 3.7 e a velocidade v2 apresentada na equação 3.8 forem inseridas na mesma equação 3.6, tem-

se:

(3.9)

Onde:

Potência do Vento =

Coeficiente de Potência cp =

⎪⎭

⎪ ⎬ ⎫

⎪⎩

⎪ ⎨ ⎧

⎥ ⎥

⎢ ⎢

⎡ ⎟⎟ ⎠

⎞ ⎜⎜ ⎝

⎛ −⎥

⎤ ⎢ ⎣

⎡ +=

2

1

3

1

33 1 112

1 2 1

v v

v v

ρAvEex&

⎪⎭

⎪ ⎬ ⎫

⎪⎩

⎪ ⎨ ⎧

⎥ ⎥

⎢ ⎢

⎡ ⎟⎟ ⎠

⎞ ⎜⎜ ⎝

⎛ −⎥

⎤ ⎢ ⎣

⎡ +

2

1

3

1

3 11 2 1

v v

v v

3 12

1 ρAv

Figura 9 – Distribuição de cp em função de

Ao considerar o coeficiente de potência cp em função de v3 /v1 temos

que:

onde v3 /v1=1/3.

590 27 16 .CpBetz ==

26

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

A figura 10 mostra as principais forças atuantes em uma pá do

aerogerador, assim como os ângulos de ataque (á) e de passo (â). A força

de sustentação é perpendicular ao fluxo do vento resultante visto pela pá

(Vres), resultado da subtração vetorial da velocidade do vento incidente

(Vw) com a velocidade tangencial da pá do aerogerador (Vtan), conforme a

equação (3.10).

(3.10)

A força de arrasto é produzida na mesma direção de Vres. A resultante

das componentes da força de sustentação e de arrasto na direção Vtan,

produz o torque do aerogerador.

tanVVV wres −=

Figura 10 – Principais forças atuantes em uma pá de aerogerador (Fonte: Montezano, 2008)

A potência mecânica extraída do vento pelo aerogerador depende de

vários fatores. Mas tratando-se de estudos elétricos, o modelo geralmente

apresentado nas literaturas é simplificado pelas equações (3.11) e (3.12).

(PAVINATTO, 2005)

27

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

(3.11)

Com:

(3.12)

Onde:

cp – coeficiente de potência do aerogerador

ë – razão entre a velocidade tangencial da ponta da pá e a

velocidade do vento incidente (tip speed ratio)

ùwt – velocidade angular do rotor [rad/s]

R – raio do rotor [m]

ñ – densidade do ar [Kg/m3]

A – área varrida pelo rotor [m2]

vwvelocidade do vento incidente no rotor [m/s]

β)(λcρAvP pwmec ,2 1 3=

⎟⎟ ⎠

⎞ ⎜⎜ ⎝

⎛ =

w

wt v Rλ ϖ

Figura 11 – Característica cp(ë, â) traçadas em função de aproximações numéricas (Fonte: Montezano, 2008)

28

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Na equação (3.11), o coeficiente de potência cp(ë, â) depende das

características do aerogerador, sendo função da razão de velocidades ë e

do ângulo de passo â das pás (pitch) do aerogerador. O cp(ë, â) é expresso

como uma característica bidimensional.

Aproximações numéricas normalmente são desenvolvidas para o

cálculo de cp para valores dados de ë e â (RAIAMBAL e CHELLAMUTH,

2002 apud PAVINATTO, 2005). A figura 11 mostra a característica cp(ë,

â) traçada para vários valores de â.

29

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

4 Tipos de Aerogeradores para Geração de Energia Elétrica

4.1 Rotores de Eixo Vertical

Em geral, os rotores de eixo vertical têm a vantagem de não

necessitarem de mecanismos de acompanhamento para variações da

direção do vento, o que reduz a complexidade do projeto e os esforços

devido às forças de Coriolis. Os rotores de eixo vertical também podem

ser movidos por forças de sustentação (lift) e por forças de arrasto (drag).

Os principais tipos de rotores de eixo vertical são Darrieus, Savonius e

turbinas com torre de vórtices. Os rotores do tipo Darrieus são movidos

por forças de sustentação e constituem-se de lâminas curvas (duas ou

três) de perfil aerodinâmico, atadas pelas duas pontas ao eixo vertical.

Figura 12 - Aerogerador experimental de eixo vertical (SANDIA, 2006)

4.2 Rotores de Eixo Horizontal

Os rotores de eixo horizontal são os mais comuns, e grande parte da

experiência mundial está voltada para a sua utilização. São movidos por

30

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

forças aerodinâmicas chamadas de forças de sustentação (lift) e forças de

arrasto (drag). Um corpo que obstrui o movimento do vento sofre a ação

de forças que atuam perpendicularmente ao escoamento (forças de

sustentação) e de forças que atuam na direção do escoamento (forças de

arrasto). Ambas são proporcionais ao quadrado da velocidade relativa do

vento. Adicionalmente, as forças de sustentação dependem da geometria

do corpo e do ângulo de ataque (formado entre a velocidade relativa do

vento e o eixo do corpo).

Os rotores que giram predominantemente sob o efeito de forças de

sustentação permitem liberar muito mais potência do que aqueles que

giram sob efeito de forças de arrasto, para uma mesma velocidade de vento.

Os rotores de eixo horizontal ao longo do vento (aerogeradores

convencionais) são predominantemente movidos por forças de sustentação

e devem possuir mecanismos capazes de permitir que o disco varrido pelas

pás esteja sempre em posição perpendicular ao vento. Tais rotores podem

ser constituídos de uma pá e contrapeso, duas pás, três pás ou múltiplas

pás (multivane fans).

Construtivamente, as pás podem

ter as mais variadas formas e

empregar os mais variados

materiais. Em geral, utilizam-se

pás rígidas de madeira, alumínio

ou fibra de vidro reforçada.

Figura 13 - Aerogerador de eixo horizontal

31

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Quanto à posição do rotor em relação à torre, o disco varrido pelas pás

pode estar a jusante do vento (down wind) ou a montante do vento (up

wind). No primeiro caso, a “sombra” da torre provoca vibrações nas pás.

No segundo caso, a “sombra” das pás provoca esforços vibratórios na torre.

Sistemas a montante do vento necessitam de mecanismos de orientação

do rotor com o fluxo de vento, enquanto nos sistemas a jusante do vento,

a orientação realiza-se automaticamente.

Os rotores mais utilizados para geração de energia elétrica são os de

eixo horizontal do tipo hélice, normalmente compostos de 3 pás ou em

alguns casos (velocidades médias muito altas e possibilidade de geração

de maior ruído acústico) 1 ou 2 pás.

4.2.1 Componentes de um aerogerador de eixo horizontal

As principais configurações de um aerogerador de eixo horizontal

podem ser vistas na figura 14. Estes aerogeradores são diferenciadas pelo

tamanho e formato da nacele, pela presença ou não de uma caixa

multiplicadora e pelo tipo de gerador utilizado (convencional ou

multipolos). A seguir são apresentados os principais componentes do

aerogerador que são, de uma forma geral, a torre, a nacele e o rotor.

Figura 14 - Componentes de um aerogerador de eixo horizontal

M MG G GC C C

R

E

M

G

N

T

C Cubo

Rotor

Eixo

Multiplicador

Gerador

Nacele

Torre

32

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

4.2.1.1 Nacele

É a carcaça montada sobre a torre, onde se situam o gerador, a caixa

de engrenagens (quando utilizada), todo o sistema de controle, medição

do vento e motores para rotação do sistema para o melhor posicionamento

em relação ao vento. A figura 15 e 16 mostram os principais componentes

instalados em dois tipos de naceles, uma delas utilizando um gerador

convencional e outra utilizando um gerador multipolos.

1. Controlador do Cubo 2. Controle pitch 3. Fixação das pás no cubo 4. Eixo principal 5. Aquecedor de óleo 6. Caixa multiplicadora 7. Sistema de freios 8. Plataforma de serviços 9. Controladores e Inversores 10. Sensores de direção e

velocidade do vento

Figura 15 – Vista do interior da nacele de uma turbina eólica utilizando um gerador convencional (Fonte: VESTAS,2006)

11. Transformador de alta tensão 12. Pás 13. Rolamento das pás 14. Sistema de trava do rotor 15. Sistema hidráulico 16. Plataforma da nacele 17. Motores de posiciona-mento da

nacele 18. Luva de acoplamento 19. Gerador 20. Aquecimento de ar

33

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

1. Apoio principal da nacele 2. Motores de orientação da

nacele 3. Gerador em anel (multipolos) 4. Fixador das pás ao eixo 5. Cubo do rotor 6. Pás 7. Sensores de direção e

velocidade do vento

Figura 16 – Vista do interior da nacele de um aerogerador utilizando um gerador multipolos (Fonte: ENERCON, 2006)

4.2.1.2 Pás, cubo e eixo

As pás são perfis aerodinâmicos responsáveis pela interação com o

vento, convertendo parte de sua energia cinética em trabalho mecânico.

Inicialmente fabricadas em alumínio, atualmente são fabricadas em fibras

de vidro reforçadas com epoxi. Nos aerogeradores que usam controle de

velocidade por passo, a pá dispõe de rolamentos em sua base para que

possa girar, modificando assim seu ângulo de ataque.

As pás são fixadas através de flanges em uma estrutura metálica a

frente do aerogerador denominada cubo. Esta estrutura é construída em

aço ou liga de alta resistência. Para os aerogeradores que utilizem o

controle de velocidade por passo, o cubo, além de apresentar os

rolamentos para fixação das pás, também acomoda os mecanismos e

34

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

motores para o ajuste do ângulo de ataque de todas as pás. É importante

citar que por se tratar de uma peça mecânica de alta resistência, o cubo é

montado de tal forma que, ao sair da fábrica, este apresenta-se como peça

única e compacta viabilizando que, mesmo para os aerogeradores de

grande porte, seu transporte seja feito sem a necessidade de montagens

no local da instalação.

O eixo é o responsável pelo acoplamento do cubo ao gerador, fazendo

a transferência da energia mecânica da turbina. É construído em aço ou

liga metálica de alta resistência.

Figura 17 – Detalhe de um cubo para conexão de pás (TAYLOR, 2008).

4.2.1.3 Transmissão e Caixa Multiplicadora

A transmissão, que engloba a caixa multiplicadora, possui a finalidade

de transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até o gerador.

É composta por eixos, mancais, engrenagens de transmissão e

acoplamentos. A figura 14 apresenta a localização da caixa multiplicadora

dentro do sistema de geração eólica.

O projeto tradicional de uma turbina eólica consiste em colocar a

caixa de transmissão mecânica entre o rotor e o gerador, de forma a

adaptar a baixa velocidade do rotor à velocidade de rotação mais elevada

dos geradores convencionais.

A velocidade angular dos rotores geralmente varia na faixa de 20 a

150rpm, devido às restrições de velocidade na ponta da pá (tip speed).

Entretanto, geradores (sobretudo geradores síncronos) trabalham em

35

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

rotações muito mais elevadas (em geral, entre 1.200 a 1.800rpm), tornando

necessária a instalação de um sistema de multiplicação entre os eixos.

Mais recentemente, alguns fabricantes desenvolveram com sucesso

aerogeradores sem a caixa multiplicadora e abandonaram a forma

tradicional de construí-los. Assim, ao invés de utilizar a caixa de

engrenagens com alta relação de transmissão, necessária para alcançar a

elevada rotação dos geradores, utilizam-se geradores multipolos de baixa

velocidade e grandes dimensões.

Os dois tipos de projetos possuem suas vantagens e desvantagens e a

decisão em usar o multiplicador ou fabricar um aerogerador sem caixa de

transmissão é, antes de tudo, uma questão de filosofia do fabricante.

Figura 18 - Gerador conectado a caixa de engrenagens (vista à direita)

4.2.1.4 Gerador

A transformação da energia mecânica de rotação em energia elétrica

através de equipamentos de conversão eletro-mecânica é um problema

tecnologicamente dominado e, portanto, encontram-se vários fabricantes

de geradores disponíveis no mercado.

Entretanto, a integração de geradores no sistema de conversão eólica

constitui-se em um grande problema, que envolve principalmente:

36

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

• variações na velocidade do vento (extensa faixa de rotações por

minuto para a geração);

• variações do torque de entrada (uma vez que variações na

velocidade do vento induzem variações de potência disponível no eixo);

• exigência de freqüência e tensão constante na energia final

produzida;

• dificuldade de instalação, operação e manutenção devido ao

isolamento geográfico de tais sistemas, sobretudo em caso de pequena

escala de produção (isto é, necessitam ter alta confiabilidade).

Atualmente, existem várias alternativas de conjuntos moto-geradores,

entre eles: geradores de corrente contínua, geradores síncronos, geradores

assíncronos, geradores de comutador de corrente alternada. Cada uma

delas apresenta vantagens e desvantagens que devem ser analisadas com

cuidado na sua incorporação ao sistema de conversão de energia eólica.

Figura 19 - Gerador convencional

37

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Figura 20 - Gerador multipolos

4.2.1.5 Torre

As torres são necessárias para sustentar e posicionar o rotor a uma

altura conveniente para o seu funcionamento. É um item estrutural de grande

porte e de elevada contribuição no custo do sistema. Inicialmente, as

turbinas utilizavam torres de metal treliçado. Com o uso de geradores

com potências cada vez maiores, as naceles passaram a sustentar um peso

muito elevado tanto do gerador quanto das pás. Desta forma, para dar

maior mobilidade e segurança para sustentar toda a nacele em alturas

cada vez maiores, tem-se utilizado torres de metal tubular ou de concreto

que podem ser sustentadas ou não por cabos tensores.

4.3 Mecanismo de Controle

Os mecanismos de controle destinam-se à orientação do rotor, ao

controle de velocidade, ao controle de carga, etc. Pela variedade de

controles, existe uma enorme variedade de mecanismos que podem ser

mecânicos (velocidade, passo, freio), aerodinâmicos (posicionamento do

rotor) ou eletrônicos (controle da carga).

38

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Os modernos aerogeradores utilizam dois diferentes princípios de

controle aerodinâmico para limitar a extração de potência à potência

nominal do aerogerador. São chamados de controle estol (Stall) e controle

de passo (Pitch). No passado, a maioria dos aerogeradores usavam o

controle estol simples; atualmente, entretanto, com o aumento do tamanho

das máquinas, os fabricantes estão optando pelo sistema de controle de

passo, que oferece maior flexibilidade na operação das turbinas eólicas.

4.3.1 Controle de Passo

O controle de passo é um sistema ativo que normalmente necessita de

uma informação vinda do sistema de controle. Sempre que a potência

nominal do gerador é ultrapassada, devido à um aumento da velocidade

do vento, as pás do rotor giram em torno do seu eixo longitudinal; em

outras palavras, as pás mudam o seu ângulo de passo para reduzir o

ângulo de ataque. Esta redução do ângulo de ataque diminui as forças

aerodinâmicas atuantes e, conseqüentemente, a extração de potência do

vento. Para todas as velocidades de vento superiores à velocidade nominal,

o ângulo é escolhido de forma que o aerogerador produza apenas a

potência nominal.

Figura 21 - Fluxo aderente ao perfil

Sob todas as condições de vento, o escoamento em torno dos perfis

das pás do rotor é bastante aderente à superfície (Figura 21), produzindo,

portanto, sustentação aerodinâmica e pequenas forças de arrasto.

Aerogeradores com controle de passo são mais sofisticadas do que as de

39

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Vconexão Vnominal

Pnominal

P o

tê n

c ia

Velocidade do Vento

passo fixo, controladas por estol, porque necessitam de um sistema de

variação de passo. Por outro lado, elas possuem certas vantagens:

• permitem controle de potência ativo sob todas as condições de

vento, também sob potências parciais

• alcançam a potência nominal mesmo sob condições de baixa

massa específica do ar (grandes altitudes dos sítios, altas temperaturas)

• maior produção de energia sob as mesmas condições (sem

diminuição da eficiência na adaptação ao estol da pá)

• partida simples do rotor pela mudança do passo

• fortes freios desnecessários para paradas de emergência do rotor

• cargas das pás do rotor decrescentes com ventos aumentando

acima da potência nominal

• posição de embandeiramento das pás do rotor para cargas

pequenas em ventos extremos

• massas das pás do rotor menores levam a massas menores dos

aerogeradores.

Figura 22 - Forma típica de uma curva de potência de um aerogerador com controle de passo

40

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

4.3.2 Controle Estol

O controle estol é um sistema passivo que reage à velocidade do

vento. As pás do rotor são fixas em seu ângulo de passo e não podem

girar em torno de seu eixo longitudinal. O ângulo de passo é escolhido de

forma que, para velocidades de vento superiores a velocidade nominal, o

escoamento em torno do perfil da pá do rotor descola da superfície da pá

(estol) (Figura 23), reduzindo as forças de sustentação e aumentando as

forças de arrasto. Menores sustentações e maiores arrastos atuam contra

um aumento da potência do rotor. Para evitar que o efeito estol ocorra em

todas as posições radiais das pás ao mesmo tempo, o que reduziria

significativamente a potência do rotor, as pás possuem uma pequena

torção longitudinal que as levam a um suave desenvolvimento deste efeito.

Figura 23 - Fluxo separado (estol) em volta do perfil

Sob todas as condições de ventos superiores à velocidade nominal o

fluxo em torno dos perfis das pás do rotor é, pelo menos, parcialmente

descolado da superfície (Figura 23), produzindo, portanto sustentações

menores e forças de arrasto muito mais elevadas. Aerogeradores com

controle estol são mais simples do que as de controle de passo porque

elas não necessitam de um sistema de mudança de passo. Em comparação

com os aerogeradores com controle de passo, eles possuem, em princípio,

as seguintes vantagens:

• inexistência de sistema de controle de passo

41

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Vconexão Vnominal

Pnominal

P o

tê n

c ia

Velocidade do Vento

• estrutura de cubo do rotor simples

• menor manutenção devido a um número menor de peças móveis

• auto-confiabilidade do controle de potência.

Em termos mundiais, o conceito de controle através de estol domina.

A maioria dos fabricantes utiliza esta possibilidade simples de controle de

potência, que sempre necessita uma velocidade constante do rotor,

geralmente dada pelo gerador de indução diretamente acoplado à rede.

Apenas nos dois últimos anos uma mistura de controle por estol e de

passo apareceu, o conhecido “estol ativo”. Neste caso, o passo da pá do

rotor é girado na direção do estol e não na direção da posição de

embandeiramento (menor sustentação) como é feito em sistema de passo

normais. As vantagens deste sistema são:

• são necessárias pequeníssimas mudanças no ângulo do passo

• possibilidade de controle da potência sob condições de potência

parcial (ventos baixos)

• a posição de embandeiramento das pás do rotor para cargas

pequenas em situação de ventos extremos.

Figura 24 - Curva de potência típica de um aerogerador com controle tipo estol.

42

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

ASG

Gerador Assíncrono Transformador

Controle de Sistemas

Conexão Principal

Fusível

Compensação

Rede

Arranque tiristor

Amplitude da corrente elétrica

Velocidade do Vento Controle

Pitch ou Stall

Velocidade do rotor

Interruptor

Multiplicador

Rotor

5 Sistema Elétrico de um aerogerador e qualidade de energia

5.1 Aerogeradores com velocidade constante

Nos aerogeradores com velocidade constante, o gerador é diretamente

conectado à rede elétrica. A freqüência da rede determina a rotação do

gerador e, portanto, a do aerogerador. A baixa rotação do aerogerador nt é transmitida ao gerador, de rotação ng por um multiplicador com relação

de transmissão r. A velocidade do gerador depende do número de polos

p e da freqüência do sistema elétrico f dados por:

(5.1)

A figura 25 mostra um esquema elétrico de um aerogerador com

velocidade constante. Estas máquinas usam geradores elétricos assíncronos,

r n

n gt = p fng = pr

fnt . =

Figura 25 – Esquema elétrico de um gerador com velocidade constante (DEWI, 2005)

43

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

SG ou ASG

Gerador

Sistema Inversor Transformador

Controle de Sistemas

Conexão Principal

Fusível

Filtro

Rede

Capacitores para gerador assíncrono

Amplitude da corrente elétrica

Velocidade do Vento Controle

Pitch ou Stall

Velocidade do rotor

Unidade de Excitação Multiplicador

Rotor

ou de indução, cuja maior vantagem é sua construção simples e barata,

além de dispensarem dispositivos de sincronismo. As desvantagens destes

geradores são as altas correntes de partida e sua demanda por potência

reativa. As altas correntes de partida podem ser suavizadas por um tiristor

de corrente, ou de partida.

5.2 Aerogeradores com velocidade variável

Os aerogeradores com velocidade variável podem usar geradores

síncronos ou assíncronos como mostra a figura 26.

Figura 26 – Esquema elétrico de um gerador com velocidade variável que usa um conversor de freqüência para o controle da freqüência da geração elétrica

(DEWI, 2005)

A conexão ao sistema elétrico é feita por meio de um conversor de

freqüência eletrônico, formado por um conjunto retificador/inversor. A

tensão produzida pelo gerador síncrono é retificada e a corrente contínua

resultante é invertida, com o controle da freqüência de saída sendo feito

eletronicamente através dos tiristores. Como a freqüência produzida pelo

gerador depende de sua rotação, esta será variável em função da variação

da rotação da turbina eólica. Entretanto, por meio do conversor, a

44

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

freqüência da energia elétrica fornecida pelo aerogerador será constante

e sincronizada com o sistema elétrico.

Quando são usados geradores assíncronos, ou de indução, é

necessário prover energia reativa para a excitação do gerador, que pode

ser feita por auto-excitação, usando-se capacitores adequadamente

dimensionados, de forma similar ao caso do aerogerador com velocidade

constante. Neste caso, deve-se instalar os capacitores antes do retificador,

uma vez que o conversor de freqüência faz isolamento galvânico no

sistema, não permitindo a absorção de energia reativa externa, seja do

sistema elétrico ou de capacitores. (CUSTODIO, 2002)

Outra alternativa é o uso de geradores assíncronos duplamente

alimentado, isto é, com dois enrolamentos que apresentam velocidades

síncronas diferentes. O uso de enrolamento rotórico associado a uma

resistência variável, em série, permite o controla da velocidade do gerador

pela variação do escorregamento, mantendo a freqüência elétrica do

gerador no valor definido pelo sistema elétrico ao qual o aerogerador

está conectado.

A idéia básica do aerogerador com velocidade variável é o

desacoplamento da velocidade de rotação e, conseqüentemente, do

rotor do aerogerador, da freqüência elétrica da rede. O rotor pode

funcionar com velocidade variável ajustada à situação real da

velocidade do vento, garantindo um desempenho aerodinâmico

maximizado. Uma vantagem é a redução das flutuações de carga

mecânica. As desvantagens são os altos esforços de construção e a

geração de harmônicos, associados à conversão de freqüência, que

podem ser reduzidos significativamente com o uso de filtros que, por

sua vez, aumentam os custos. (CUSTODIO, 2002)

5.3 Qualidade da energia

A qualidade de energia no contexto da geração eólica descreve o

desempenho elétrico do sistema de geração de eletricidade do aerogerador

45

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Distúrbios Causa

Elevação / queda de tensão Valor médio da potência entregue

Flutuações de tensão e

cintilação

Operações de chaveamento

Efeito de sombreamento da torre

Erro de passo da pá

Erro de mudança de direção

Distribuição vertical do vento

Flutuações da velocidade do vento

Intensidade de turbulências

Harmônicos

Conversores de freqüência

Controladores tiristorizados

Capacitores

Consumo de potência reativa Componentes indutivos ou sistemas

de geração

onde quaisquer perturbações sobre a rede elétrica devem ser mantidas

dentro de limites técnicos estabelecidos conforme o nível de exigência

imposto pelo gerente de operações da rede.

Para a maior parte das aplicações de unidades eólicas, a rede pode

ser considerada como um componente capaz de absorver toda a potência

gerada por estas unidades, com tensão e freqüência constantes. No caso,

por exemplo, de sistemas isolados de pequeno porte, podem ser

encontradas situações onde a potência elétrica fornecida pelo aerogerador

alcance valores compatíveis com a capacidade da rede. Onde a rede é

fraca1, a qualidade da energia deve ser uma das principais questões a

serem observadas sobre a utilização de aerogeradores (tamanho, tipo de

controle, etc.)

1 O conceito de rede “fraca” ou “forte” está intimamente ligado à potência de curto circuito da rede. Uma rede é dita “fraca” quando, no ponto de interligação, a relação entre a potência de curto circuito da rede e a potência eólico-elétrica injetada na rede é pequena. Se a relação é grande, a rede é dita ser forte ou robusta, sendo capaz de absorver as perturbações elétricas; a rede comporta-se semelhante a um barramento infinito (CARVALHO,2003)

Tabela 2 – Distúrbios causados por aerogeradores à rede elétrica

(Fonte: CARVALHO,2003)

46

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

A tabela 2 descreve os principais distúrbios causados por aerogeradores

na rede elétrica e as respectivas causas, que podem ser resumidas em

condições meteorológicas, do terreno, e especificamente sobre as

características elétricas, aerodinâmicas, mecânicas e de controle presente

no aerogerador (GERDES,1997).

É importante observar que os cuidados na conexão à rede elétrica

devem ser observados e avaliados ainda na fase de planejamento. Quando

várias máquinas eólicas são conectadas em um parque, o nível de potência

entregue por unidade pode variar devido à localização das máquinas no

parque e o efeito de “sombra” causado pelos aerogeradores a montante

àqueles que se encontram em fileiras mais afastadas em relação a direção

do vento predominante.

O tipo de gerador utilizado (síncrono ou assíncrono) produz diferentes

níveis de flutuação nas variáveis elétricas de saída. Isto pode ser verificado

particularmente para as unidades de grande porte, com potência superiores

a 1 MW, visto que as de pequeno e médio porte podem influenciar a rede

apenas quando estão conectadas em grande número. Devido aos baixos

valores de escorregamento, geradores assíncronos conectados diretamente

à rede elétrica, operando com velocidade quase constante, geram

flutuações mais significativas do que geradores síncronos em velocidade

variável, conectados à rede via unidade retificadora/

inversora.(CARVALHO,2003)

No caso específico de distribuições de harmônicos, considerado como

um grave problema para a manutenção da qualidade de energia, a principal

fonte de harmônicos são os conversores de freqüência empregados para

conectar os geradores eólicos à rede elétrica. Assim, os geradores eólicos

assíncronos ou síncronos ligados diretamente à rede elétrica não necessitam

de maiores atenções neste aspecto.

47

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Pequeno Porte (10kW)

• Residências

• Fazendas

• Aplicações Remotas

Intermediário (10 - 250 kW)

• Geração Distribuída

• Sistemas Híbridos

Grande Porte (250 kW - +2 MW)

• Fazendas Eólicas

• Geração Distribuída

Um sistema eólico pode ser utilizado em três aplicações distintas:

sistemas isolados, sistemas híbridos e sistemas interligados à rede. Os

sistemas obedecem a uma configuração básica, necessitam de uma unidade

de controle de potência e, em determinados casos, de uma unidade de

armazenamento.

6 Aplicações dos Sistemas Eólicos

Figura 27 - Considerações sobre o tamanho dos aerogeradores e suas principais aplicações

6.1 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados, em geral, utilizam alguma forma de

armazenamento de energia. Este armazenamento pode ser feito através de

baterias, com o objetivo de utilizar aparelhos elétricos, ou na forma de

energia gravitacional, com a finalidade de armazenar a água bombeada

em reservatórios para posterior utilização. Alguns sistemas isolados não

necessitam de armazenamento, como no caso dos sistemas para irrigação

onde toda a água bombeada é diretamente consumida.

48

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Os sistemas que armazenam energia em baterias necessitam de um

dispositivo para controlar a carga e a descarga da bateria. O controlador

de carga tem como principal objetivo evitar danos à bateria por sobrecarga

ou descarga profunda.

Para alimentação de equipamentos que operam com corrente

alternada (CA) é necessário a utilização de um inversor. Este dispositivo

geralmente incorpora um seguidor do ponto de máxima potência

necessário para otimização da potência produzida. Este sistema é usado

quando se deseja utilizar eletrodomésticos convencionais.

Figura 28 - Configuração de um sistema eólico isolado

6.2 Sistemas Híbridos

Os sistemas híbridos são aqueles que, desconectados da rede

convencional, apresentam várias fontes de geração de energia como, por

exemplo, turbinas eólicas, geração diesel, módulos fotovoltaicos, entre

outras. A utilização de várias formas de geração de energia elétrica aumenta

a complexidade do sistema e exige a otimização do uso de cada uma das

fontes. Nesses casos, é necessário realizar um controle de todas as fontes

para que haja máxima eficiência na entrega da energia para o usuário.

49

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Armazenamento Carga

Unidade de Controle e

Condicionamento de potência

Em geral, os sistemas híbridos são empregados em sistemas de médio

a grande porte destinados a atender um número maior de usuários. Por

trabalhar com cargas em corrente alternada, o sistema híbrido também

necessita de um inversor. Devido à grande complexidade de arranjos e

multiplicidade de opções, a forma de otimização do sistema torna-se um

estudo particular a cada caso.

Figura 29 – Configuração de um sistema híbrido solar-eolico-diesel

6.3 Sistemas Interligados à Rede

Os sistemas interligados à rede utilizam um grande número de

aerogeradores e não necessitam de sistemas de armazenamento de energia,

pois toda a geração é entregue diretamente à rede elétrica. O total de

potência instalada no mundo de sistemas eólicos interligados à rede somam

aproximadamente 120 GW (WWEA,2009).

50

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

Figura 31 – Parque eólico instalado no mar do norte (Fonte: BRITSC, 2005)

Figura 30 – Parque eólico conectado à rede – Parque Eólico da Prainha - CE

6.4 Sistemas Off-Shore

As instalações off-shore representa a nova fronteira da utilização da

energia eólica. Embora representem instalações de maior custo de

transporte, instalação e manutenção, as instalações off-shore têm crescido

a cada ano principalmente com o esgotamento de áreas de grande potencial

eólico em terra.

51

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

A indústria eólica tem investido no desenvolvimento tecnológico da

adaptação das turbinas eólicas convencionais para uso no mar. Além do

desenvolvimento tecnológico, os projetos off-shore necessitam de

estratégias especiais quanto ao tipo de transporte das máquinas, sua

instalação e operação. Todo o projeto deve ser coordenado de forma a

utilizarem os períodos onde as condições marítimas propiciem um

deslocamento e uma instalação com segurança.

52

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Energia Eólica Princípios e Tecnologias

ANEXO I - Potencial Eólico Brasileiro

Figura 1 - Mapa temático da Velocidade Média Anual do Vento a 50 metros de altura em m/s (Fonte: Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. CEPEL, 2001)

58

Energia Eólica Princípios e Tecnologias

USINAS do tipo EOL em Operação

UsinaPotência (kW)ProprietárioMunicípio

Eólica de Prainha 10.000 Wobben Wind Power Industria e Comércio Ltda Aquiraz - CE

Eólica de Taíba 5.000 Wobben Wind Power Industria e Comércio Ltda São Gonçalo do

Amarante - CE

Eólica-Elétrica Experimental do Morro do Camelinho

1.000 CEMIG Geração e Transmissão S/A Gouveia - MG

Eólio - Elétrica de Palmas 2.500 Centrais Eólicas do Paraná Ltda. Palmas - PR

Eólica de Fernando de Noronha

225 Centro Brasileiro de Energia Eólica - FADE/UFPE Fernando de

Noronha - PE

Parque Eólico de Beberibe 25.600 Usina Eólica Econergy Beberibe S.A. Beberibe - CE

Mucuripe 2.400 Wobben Wind Power Industria e Comércio Ltda Fortaleza - CE

RN 15 - Rio do Fogo 49.300 Energias Renováveis do Brasil S.A. Rio do Fogo -

RN

Eólica de Bom Jardim 600 Parque Eólico de Santa Catarina Ltda Bom Jardim da

Serra - SC

Foz do Rio Choró 25.200 SIIF Cinco Geração e Comercialização de Energia

S.A. Beberibe - CE

Eólica Olinda 225 Centro Brasileiro de Energia Eólica - FADE/UFPE Olinda - PE

Eólica Canoa Quebrada 10.500 Rosa dos Ventos Geração e Comercialização de

Energia S.A. Aracati - CE

Lagoa do Mato 3.230 Rosa dos Ventos Geração e Comercialização de

Energia S.A. Aracati - CE

Parque Eólico do Horizonte 4.800 Central Nacional de Energia Eólica Ltda Água Doce - SC

Eólica Paracuru 23.400 Eólica Paracuru Geração e Comercialização de

Energia S.A. Paracuru - CE

Pedra do Sal 18.000 Econergy Pedra do Sal S.A. Parnaíba - PI

Macau 1.800 Petróleo Brasileiro S/A Macau - RN

Eólica Água Doce 9.000 Central Nacional de Energia Eólica Ltda Água Doce - SC

Parque Eólico de Osório 50.000 Ventos do Sul Energia S/A Osório - RS

Parque Eólico Sangradouro 50.000 Ventos do Sul Energia S/A Osório - RS

Taíba Albatroz 16.500 Bons Ventos Geradora de Energia S.A. São Gonçalo do

Amarante - CE

Parque Eólico dos Índios 50.000 Ventos do Sul Energia S/A Osório - RS

Millennium 10.200 SPE Millennium Central Geradora Eólica S/A Mataraca - PB

Presidente 4.500 Vales dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB

Camurim 4.500 Vales dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB

Albatroz 4.500 Vales dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB

Coelhos I 4.500 Vales dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB

Coelhos III 4.500 Vales dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB

Atlântica 4.500 Vales dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB

Caravela 4.500 Vales dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB

Coelhos II 4.500 Vales dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB

Coelhos IV 4.500 Vales dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB

Mataraca 4.500 Vales dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB

Total: 33 Usina(s) Potência Total: 414.480 kW

ANEXO II - Parques Eólicos Instalados no Brasil

(Fonte: ANEEL, 2009)

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