apresentação 06 08-2013
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INSTITUTO FEDERAL DE CIÊNCIA, EDUCAÇÃO E TECNOLOGIA – Campus Limoeiro do Norte
ENERGIA EÓLICA
Luiz Paulo OliveiraOnilson NogueiraRenata Andrade
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O vento é uma das mais antigas fontes renováveis utilizadas pelo homem. A energia eólica provém da energia cinética contida nas
massas de ar em movimento, que geram energia de rotação capaz de movimentar turbinas eólicas ou aerogeradores
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• As primeiras iniciativas de aproveitamento da energia eólica datam do século XIX, mas foi apenas em 1976 que se instalou, na Dinamarca, a primeira turbina eólica comercial.
• Inovações tecnológicas recentes, como a aerodinâmica das pás, vêm melhorando o desempenho e a eficiência do sistema
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• Com base nos dados, podemos perceber que, em países como Alemanha, Espanha, Estados Unidos e Dinamarca, a energia eólica vai de vento em popa. Juntos, os quatro respondem por cerca de 80% da capacidade instalada no mundo. Somadas outras fontes alternativas, a Alemanha gerava, em 2007, 12,5% de sua eletricidade por meio de fontes renováveis
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• Há outras regiões do planeta que também têm potencial a ser aproveitado por apresentar as condições naturais básicas necessárias: ventos constantes até 50 metros de altitude, com velocidade de 7 a 8 metros por segundo. Entre elas estão o Brasil e o continente africano.
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• Mapa 2 - O potencial eólico no Brasil (2003)(Agência Nacional de Energia Elétrica-Aneel)
A observação do mapa ajuda a entender que algumas faixas do território brasileiro têm grande potencial de aproveitamento da energia eólica. Entre elas, estão o trecho costeiro Ceará–Rio Grande do Norte–Paraíba, chapadas ou serras no interior da Bahia e Pernambuco e o litoral capixaba, fluminense e gaúcho.
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• A energia eólica vem aumentando sua participação no contexto energético brasileiro nos últimos anos. Desde a criação do Proinfa (Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica), e, posteriormente, os sucessivos leilões de compra e venda deste tipo de energia, a capacidade instalada de geração passou de um pouco mais de 25 MW em 2005, para 1.886 MW, ao final de 2012.
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• Em dezembro de 2012, o Brasil contava com 84 parques eólicos em operação, distribuídos principalmente pelas regiões nordeste (64% da capacidade instalada), e sul (35% da capacidade instalada). Em 2012, foram gerados 5.020 GWh de energia eólica – 86% acima da geração de 2011- e já respondendo por 1% da geração elétrica brasileira.
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• Além de ser uma fonte renovável e barata, a energia eólica se apresenta como complementar à fonte hidrelétrica, na medida em que os melhores ventos ocorrem nos períodos de menor regime de chuvas. A geração eólica auxilia na recomposição dos níveis dos reservatórios, ou seja, possibilita a formação de acúmulo de água para geração futura.
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• Entre 2011 e 2021, a capacidade instalada de geração elétrica deve aumentar em 79,9 GW, sendo 28,0 GW de fontes alternativas, no caso da energia eólica, se espera que de 2012 a 2016 sejam instalados 7,6 GW, e entre 2016 e 2021, mais 6,2 GW. Neste contexto, a energia eólica deverá chegar em 2021 com 7,7% da capacidade instalada brasileira, contra 1,7% verificado ao final de 2012.
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• O Brasil é o país mais promissor do mundo em termos de produção de energia eólica, na avaliação do Global Wind Energy Council, organismo internacional que reúne entidades e empresas relacionadas à produção desse tipo de energia. Ao final de 2012, o País ocupava o 20º lugar no mundo em capacidade instalada de geração de energia a partir da força dos ventos. De 2005 a 2012, a capacidade instalada aumentou 70 vezes e foi a que mais cresceu dentre todas as fontes de energia. Não obstante o forte crescimento, a capacidade instalada brasileira representa apenas 0,6% da capacidade mundial.
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• Os mapas eólicos desenvolvidos pelo Centro Brasileiro de Energia Eólica apontam que os ventos brasileiros apresentam ótimas características para a geração elétrica, com boa velocidade , baixa turbulência e boa uniformidade, o que possibilita fatores de capacidade de geração em alguns parques de até 50%. No mundo, o fator de capacidade médio de geração eólica não chega a 20% (operação abaixo de 1800 horas por ano, para o total das 8.760 horas anuais), enquanto que no Brasil, o indicador foi de 34% em 2012. O potencial brasileiro de energia eólica é estimado em um pouco mais de 140 GW, avaliado para torres de 50 m de altura. Estima-se que o potencial possa mais que dobrar se forem consideradas torres de mais de 100 m de altura.
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PROJETO BÁSICO
DEPENDE DE TRÊS FATORES PRINCIPAIS:
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ESCOLHA DO LOCAL
• Intensidade, frequência, velocidade e direção dos ventos no local POR ALGUNS ANOS.
• O relevo e a rugosidade do terreno.
POR QUÊ?
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POR QUÊ?
• Por exemplo, para determinar a velocidade do vento na altura desejada em termos práticos, para sistemas com altura até 150m, usa-se a seguinte equação:
, onde:
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POR QUÊ?
• V – Velocidade do vento na altura desejada;• V0 - Velocidade do vento na altura conhecida;• H – Altura desejada;• H0 – Altura conhecida;• n – Fator de rugosidade do terreno, conforme
Quadro a seguir.
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FATOR DE RUGOSIDADE
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ESCOLHA DO LOCAL
• A infra-estrutura deve ser adequada ao que se pretende, ou seja, a central eólica não deverá ser construída muito distante de uma linha de transmissão ou centro de consumo de energia elétrica.
• Os dois tipos básicos de localização de uma central eólica são apresentados a seguir:
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ESCOLHA DO LOCAL
• Terrestre :
PARQUE EÓLICO DO TEXAS, USA
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ESCOLHA DO LOCAL
• Marítima ou offshore:
PARQUE EÓLICO DE NYSTED, NO MAR BÁLTICO, A 10 KM DA COSTA DA DINAMARCA: 72 MOINHOS EM ALTO MAR
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ESCOLHA DO LOCAL
• O PORQUE de um parque marítimo:1. Não ter limitações em termos de utilização do solo e dos
diversos impactos visuais.2. Não há problemas com impactos sonoros, devido a distância
da costa.3. A superfície do mar tem baixa rugosidade.4. Devido à menor rugosidade, as turbinas não necessitam de
grandes alturas (comparando-as com o solo terrestre).5. Globalmente, a turbulência do vento é muito inferior no mar,
devido à ausência de barreiras. Assim, as turbinas não sofrem um desgaste exorbitante, tendo um aumento em sua vida útil.
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POSICIONAMENTO DE UNIDADES GERADORAS
• As unidades geradoras podem ser alocadas em conjunto, pois a alguma distância lateral e a jusante das mesmas, o escoamento do vento praticamente recupera as condições originais. Na prática, essa distância varia com a velocidade do vento, as condições de operação da turbina, a rugosidade de terreno e a condição de estabilidade térmica vertical da atmosfera.
• De modo geral, uma distância considerada segura para a instalação de um novo gerador é da ordem de 10 vezes o diâmetro “D” das pás do rotor quando instalado a jusante(a frente ou atrás), e 5 vezes “D” quando instalada lateralmente, conforme a Figura a seguir
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POSICIONAMENTO DE UNIDADES GERADORAS
A PARTE DE VERDE É A REPRESENTAÇÃO DO ESCOAMENTO DO VENTO
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POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO
• Para determinar a potência aproximada que será entregue ao gerador da central eólica depende de alguns fatores:
1. Densidade do ar2. Rendimentos3. Tamanho das pás 4. Velocidade do vento.
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POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO
• Uma turbina eólica capta uma parte da energia cinética do vento que passa através da área varrida pelo rotor e a transforma em energia elétrica.
• A análise que será feita a seguir relacionará Potência e Velocidade do vento.
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POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO
• A energia cinética é dada por:
(Equação 1) , onde:
• E – Energia;• m – Massa;• V – Velocidade.
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POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO
• A densidade do ar no local:
(Equação 2) onde,
• d – Densidade do ar;• m – Massa;• Vol – Volume.
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POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO• Imaginando a velocidade do vento constante
“V”, o volume da massa de ar “Vol”, corresponde à área S = πR2 multiplicada pelo comprimento “L” percorrido pela massa de ar, projetando um cilindro como ilustrado na Figura a seguir:
![Page 31: Apresentação 06 08-2013](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081602/5493f900b4795949468b4643/html5/thumbnails/31.jpg)
POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO
• Substituindo a equação 2 na 1 e sabendo do volume do cilindro:
Equação 3
![Page 32: Apresentação 06 08-2013](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081602/5493f900b4795949468b4643/html5/thumbnails/32.jpg)
POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO
• Lembrando-se que a potência é o quociente entre energia e tempo e a velocidade do vento podendo ser considerada constante e calculada como o comprimento dividido pelo tempo, têm-se:
Equações 4 e 5
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POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO
• Onde: 1. P – Potência;2. E – Energia;3. t – Tempo;4. V – Velocidade;5. L – Comprimento.
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POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO
• Sabendo da equação 4 e substituindo em 3 e 5 tem-se o seguinte:
• EQUAÇÃO 6
DEPENDE DE: ?
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POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO
Obs.: Para que a obtenção da potência eólica seja próxima da realidade, devem-se incluir alguns conceitos de índice de aproveitamento e considerar os rendimentos dos equipamentos.
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POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO
• O índice de aproveitamento de uma turbina eólica foi denominado de “Coeficiente de Potência” “Cp”, por Betz, cujo valor máximo teórico é 16/27. Com seus estudos, foi possível observar que apenas parte da potência dos ventos é aproveitada, visto que o vento atinge a turbina com velocidade “V”, mas possui uma velocidade após passar pela turbina. Isto indica que apenas parte da energia cinética do vento pôde ser aproveitada pela turbina.
![Page 37: Apresentação 06 08-2013](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081602/5493f900b4795949468b4643/html5/thumbnails/37.jpg)
POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO
• Obtido o “Cp”, devem-se incluir os rendimentos de todos os equipamentos envolvidos no sistema eólico, que são basicamente:
• n T – Rendimento da turbina;
• n M – Rendimento do multiplicador de velocidade;
• n E – Rendimento elétrico.
Logo, o rendimento total será:
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POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO
• Desta forma, pode-se escrever a equação da potência incluindo na equação 6 o “coeficiente de potência” eólico “Cp” e o rendimento total “n Total”:
• EQUAÇÃO 7
![Page 39: Apresentação 06 08-2013](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081602/5493f900b4795949468b4643/html5/thumbnails/39.jpg)
POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO• Com a equação 7, pode-se determinar a potência
extraída do vento através dos parâmetros envolvidos.• Nas centrais eólicas, o que ocorre é o controle da
potência elétrica no aerogerador, que tem valores mínimo e máximo de operação.
• A velocidade abaixo de 4 m/s o conteúdo energético do vento não justifica aproveitamento.
• Velocidades superiores a aproximadamente 12 m/s, ativam um sistema automático de limitação de potência, que pode ser por controle de ângulo de passo das pás ou por estol aerodinâmico. A velocidade limite usual é de 25m/s, conforme se verá no Gráfico a seguir.
![Page 40: Apresentação 06 08-2013](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081602/5493f900b4795949468b4643/html5/thumbnails/40.jpg)
POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO
CURVA DE POTÊNCIA
![Page 41: Apresentação 06 08-2013](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081602/5493f900b4795949468b4643/html5/thumbnails/41.jpg)
PRINCIPAIS PARTES DE UM AEROGERADOR
• São constituídos basicamente por:1. Um rotor, ao qual estão acopladas as hélices
ou pás (que chegam a medir mais do que30 metros);
2. Uma torre de suporte, que tem entre 50 a 80 metros de altura;
3. Uma cabina, ou nacelle, na qual se encontra o gerador e outros dispositivos.
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PRINCIPAIS PARTES DE UM GERADOR
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ROTORES
• ROTORES DE EIXO VERTICAL1. Mudança de direção do vento → Não é
necessário nenhum ajuste → Turbinas estão alinhadas com o vento. (No entanto, precisa de um impulso do seu sistema elétrico para dar partida).
2. Em vez de uma torre, ela usa cabos de amarração para sustentação, pois assim a elevação do rotor é menor. Menor elevação → Menor velocidade do vento devido à interferência do solo → menos eficientes.
3. Todos os equipamentos encontram-se ao nível do solo que facilita a sua instalação. Área de base maior para a turbina → Desvantagem em áreas de cultivo.
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PRINCIPAIS PARTES DE UM GERADOR
ROTORES DE EIXO VERTICAL
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PRINCIPAIS PARTES DE UM GERADOR
• ROTORES DE EIXO HORIZONTAL1. Mais conhecidos e utilizados →Maior eficiência: Por causa da
melhor utilização do vento ou melhor aproveitamento em potência das forças de sustentação.
2. O seu maior custo é compensado pela sua eficiência.3. Estas precisam de se alinhar constantemente com o vento, usando
um mecanismo de ajuste – os motores elétricos e as caixas de engrenagens deslocam o rotor para a esquerda ou direita, o controlador eletrônico da turbina lê a posição do cata-vento e ajusta a posição do rotor para apreender o máximo de energia eólica.
4. Este tipo de turbina contém uma torre para alçar os componentes da turbina a uma altura ideal para a velocidade do vento (80 m), ocupando muito pouco espaço no solo.
![Page 46: Apresentação 06 08-2013](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081602/5493f900b4795949468b4643/html5/thumbnails/46.jpg)
PRINCIPAIS PARTES DE UM GERADOR
ROTORES DE EIXO HORIZONTAL. O MAIS CONHECIDO CATAVENTO QUE PODE TER ATÉ 30% DE APROVEITAMENTO COM POUCO VENTO.
![Page 47: Apresentação 06 08-2013](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081602/5493f900b4795949468b4643/html5/thumbnails/47.jpg)
COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
![Page 48: Apresentação 06 08-2013](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081602/5493f900b4795949468b4643/html5/thumbnails/48.jpg)
COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
NACELLE:É o compartimento instalado no alto da
torre e que abriga todo o mecanismo do gerador, o qual pode incluir: caixa multiplicadora, freios, embreagem, mancais, controle eletrônico, sistema hidráulico.
![Page 49: Apresentação 06 08-2013](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081602/5493f900b4795949468b4643/html5/thumbnails/49.jpg)
COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
• NACELLE EM GERADOR CONVENCIONAL
![Page 50: Apresentação 06 08-2013](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081602/5493f900b4795949468b4643/html5/thumbnails/50.jpg)
COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
• NACELLE EM GERADOR MULTI-POLOS
![Page 51: Apresentação 06 08-2013](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081602/5493f900b4795949468b4643/html5/thumbnails/51.jpg)
COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
PÁSCaptura energia do vento transmitido-a até
o cubo. Podendo dispor de sistemas de rotação ao redor de seu eixo longitudinal que permite o controle de potência gerada (controlo por ‘pich’).
![Page 52: Apresentação 06 08-2013](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081602/5493f900b4795949468b4643/html5/thumbnails/52.jpg)
COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
CUBOBase de fixação das pás, transmite a energia
mecânica (rotacional), capturada pelas pás, ao eixo de baixa velocidade ao qual está acoplado.
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COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
EIXOResponsável pelo acoplamento do cubo ao
gerador fazendo a transmissão da energia mecânica a turbina.
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COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
PÁS
EIXO
CUBO
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COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
TRANSMISSÃO OU CAIXA MULTIPLICADORAResponsável por transmitir a energia
mecânica do veio principal ao veio secundário, convertendo a rotação baixa (10 a 60 RPM) e elevado momento torsor do rotor, em altas velocidades (1000 a 3000 RPM) e baixo momento torsor utilizado pelo gerador.
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COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
EIXO PRINCIPAL
EIXO SECUNDÁRIO
CAIXA DE ENGRENAGENS
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COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
GERADORConverte energia mecânica em elétrica,
adaptado para as flutuações de potência fornecida pelo rotor.
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COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
GERADOR
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COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
TORRENecessária para sustentar o rotor e
posicionar o rotor a uma altura conveniente de funcionamento. Podem ter alturas superiores a 80 m de altura. Destinam-se também a contrariar o torque imposto pela turbina em rotação.
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COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
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COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
MECANISMO DE CONTROLE OU SISTEMA DE CONTROLO
Destinam-se à orientação do rotor, controle de velocidade, controle de carga entre outras variáveis, uma das quais a velocidade mínima do arranque, perto de 6m/s, e a velocidade máxima de funcionamento, cerca de 25m/s. Podem ser mecânicos, aerodinâmicos ou eletrônicos.
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COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL
MECANISMO DE CONTROLE
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GERADORES
SINCRONOS: circuito de excitação independente ou usa ímãs permanentes.
ASSINCRONOS: São máquinas mais robustas, relativamente fáceis de construir, consequentemente mais baratas.O gerador assíncrono pode ter rotor gaiola de esquilo ou rotor bobinado.
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Multiplicador de velocidades:Compensação da baixa velocidade da turbina.
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𝑉=120 . 𝑓𝑝
V – velocidade angular (RPM)f – frequência da rede elétrica (Hz)p – número de pólos.
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PRINCIPAIS CONFIGURAÇÕES E FORMAS DE CONEXÃO DE SISTEMA AEROGERADOR
1. Gerador conectado diretamente à rede elétrica (velocidade fixa):- Apresentam problemas com a qualidade de energia;- Variações de velocidade na turbina aparecem na - potência elétrica de saída;
- Simples, de baixa potência e com poucos pólos no rotor;
- Necessitam multiplicador;
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2. Gerador conectado à rede elétrica através de conversor (velocidade variável);
- Torque constante;- Potência elétrica de saída praticamente constante;
- usam conversores eletrônicos para “isolar” as perturbações recebidas;
- O gerador síncrono com excitação independente pode controlar o fluxo de potência reativa através da excitação do circuito de campo;
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- O conversor apresenta um grande impacto no custo, já que toda a potência do grupo passa para a rede através do conversor.
3. Gerador assíncrono conectado diretamente à rede elétrica com rotor bobinado duplamente alimentado (velocidade variável):
- Controle de velocidade é feito através de conversor conectado ao circuito do rotor;
- Necessita ser dimensionado para no máximo 30% da potência do gerador;
- Bidirecional (do rotor para a rede e da rede para o rotor);- Estator ligado diretamente à rede;- Mais usada (5MW);- Custo inicial baixo/robustez/eficiência.
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4 - Gerador síncrono conectado à rede elétrica através de conversor sem multiplicador de velocidade (velocidade variável);
- Utiliza excitação independente ou rotor de ímãs permanentes;
- O gerador requer grande número de pólos; - O custo inicial é elevado e necessita de filtros para evitar a poluição da rede através dos harmônicos provenientes do conversor.
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As máquinas síncronas com ímãs permanentes apresentam um alto rendimento, mas ainda não estão comercialmente disponíveis para potências.
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O gerador de rotor bobinado possibilita uma economia em torno de R$190.000,00 para potências de central eólica a partir de 500kW.
A melhor configuração a ser usada numa central eólica moderna, econômica e de grande porte, sem dúvidas é o gerador assíncrono duplamente alimentado.
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Potência do gerador:a) V – Velocidade nominal do vento de geração [m/s];V=12 m/s
b) D – Diâmetro das pás do rotor [m]; D = 120 m
c) d – Densidade do ar no local [kg/m3];d = 1,225 kg/m3.
d) n T– Rendimento da turbina;n T= 0,675
e) n M– Rendimento do multiplicador de velocidade; n M= 0,95f) n E– Rendimento elétrico;n E= 0,8
𝒏𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍=𝒏𝑻 .𝒏𝑴 .𝒏𝑬
𝑷=𝒏𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 .𝑪𝒑 .𝒅 .𝑫 .𝑽 ³
𝟐
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P = 3.637,10 kW