Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Aula Energias Renováveis
Energia Eólica -- História
- Potencial eólico- Categorização das turbinas eólicas- Características das turbinas eólicas- Construção de turbinas eólicas
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Mapa Mundial – Pressão do Ar e Vento em Julho
• Movimento dos ventos e transporte de calor do equador para os pólos• Desvio norte-sul das células de circulação (diferença na quantidade de radiação do
equador até +/-30 latitude devido a rotação do planeta (células Headley)
Pressão do Ar Velocidade do Vento
Fraco MédioForte
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Mapa Mundial – Pressão do Ar e Vento em Janeiro
• Outras influências na geração de ventos são zonas pontuais de alta e baixa pressão (movimento do vento por rotação em torno das áreas de baixa pressão)
• Condições das temperaturas próximas à região costeira e zonas montanhosas
Pressão do Ar Velocidade do Vento
Fraco MédioForte
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Potencial Eólico Mundial
V < 3,6 m/s não utilizável3,6 – 4,6 m/s utilizável4,5 – 5,6 m/s bom5,6 – 8,6 m/s muito bom
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Desenvolvimento do uso da energia eólica
• Primeiras aplicações em moinhos de vento simples para irrigação ou em velas de balsas e barcos.
• Primeiros moinhos de vento com eixo vertical a partir do século XII (fronteira entre Irã-Afeganistão, depois China).
• A partir do século XVI "Moinho de vento holandês" com rotação de torre e pás eólicas.
• Direcionamento automático para captação do vento, ajuste do ângulo das pás e limitação de potência, a partir do século XIX.
• Na Europa, a partir do século XIX , cerca de 250 mil moinhos de vento ou turbinas eólicas com rotores de até 25 m diâmetro e uma potência entre 25-30 kW.
• Primeira Turbina eólica de grande porte em 1941 nos EUA com 1.250 kW.
Desenvolvimento do Uso da Energia Eólica
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Usinas Eólicas Históricas
Moinho Persa
Westernmill para bombeamento de água
Moinho Holandês com torre giratória
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
A Técnica - 500 vezes mais geração de energia desde 1980
Rotor (diâmetro)
Alt
ura
Ro
tor
PotênciaRotor (diâmetro)Altura RotorGeração Anual
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Maior Turbina do Mundo | Enercon 126 | 6 MW
Altura Rotor126 m
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Aula Energias Renováveis
Energia Eólica -- História- Potencial eólico
- Categorização das turbinas eólicas- Características das turbinas eólicas- Construção de turbinas eólicas
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Altura do Equipamento: Cada metro conta!
Altura da Turbina Eólica (m)
Velocidade Horizontal do Vento (m/s)
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Diferentes Alturas: Potências iguais – produção muito maior!
Altura Rotor
Altura Total
Potência Nom.
Diâmetro Rotor
Produção anual
Altura Rotor
Carga Total
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Efeito Esteira em Parque Eólico
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Velocidade do Vento e Potencial Eólico
3
2
1wAP
Wind⋅⋅⋅= ρ
Temperatur [°C]
-20 -10 0 10 20 30 40
Dichte
[kg/m³] 1,377 1,324 1,275 1,230 1,188 1,149 1,112
Estimativa Simplificada do Potencial Eólico
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 4 8 12 16 20 30 40 50
Windgeschwindigkeit [m/s]
Win
dle
istu
ng
[k
W]
Densidade
Temperatura
Po
ten
cia
l Eó
lico
(kW
)
Velocidade do Vento (m/s)
Onde:P = potência média do vento [W]
ρ = densidade do ar seco = 1,225 kg/m³w = velocidade média do vento [m/s]A = área do rotor [m²]
Nota: Uma turbina de um aerogeradormoderno possui entre 25% - 40% de eficiência (energia cinética-mecânica)
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Exercícios simplificados
Ex. 01:Dados do Aerogerador:
Diâmetro do Rotor (m): 16Velocidade média do vento [m/s]: 12
ρ = 1,225 kg/m³ Eficiência Turbina - Coeficiente Cp: 40%
Resultados do Aerogerador:
Potência Instantânea (kW):Potencial Mensal (kWh):Potencial Anual (kWh):
Demanda atendida:
Sala de aula (A/C + iluminação):
3
2
1wAP
Wind⋅⋅⋅= ρ
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Exercícios simplificados
Ex. 01:Dados do Aerogerador:
Diâmetro do Rotor (m): 16Velocidade média do vento [m/s]: 12
ρ = 1,225 kg/m³ Eficiência Turbina - Coeficiente Cp: 40%
Resultados do Aerogerador:
Potência Instantânea (kW): 85,121Potencial Mensal (kWh): 62.138,16Potencial Anual (kWh): 745.657,87
Demanda atendida:
Sala de aula (A/C + iluminação):
3
2
1wAP
Wind⋅⋅⋅= ρ
Ex. 02 – Utilize os dados do exercício anterior:
1 – Estimar consumo médio do campus da UNEMAT Sinop
2 – Calcular o diâmetro do rotor para atender a demanda do campus
3 – Calcular o rotor de um aerogerador para atender a demanda da própria residência com velocidade média do vento no meio urbano de Sinop na ordem de 3 m/s
4 – Calcular o rotor do aerogerador da residência para atender o pico de demanda
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Aula Energias Renováveis
Energia Eólica -- História- Potencial eólico- Categorização das turbinas eólicas
- Características das turbinas eólicas- Construção de turbinas eólicas
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Categorização das turbinas eólicas – Rotores Verticais / VAWT
- Forma dos Rotores verticais
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia EólicaCategorização das turbinas eólicas – Rotor Darrieus
Funcionamento de uma Turbina Eólica de 4 MW de acordo com o princípio de Darrieus
Local: Canadá Altura: 96 mDiâmetro: 64 mÁrea vento: 64 m²Diâmetro do mastro 5 m.
Velocidade média anual do vento a 700 km nordeste de Montreal: 9,2 m/s
Início de operação: ventos de 4,5 m/s,Fim da operação: ventos de 22,5 m/s Resistencia máxima: vento de 62 m/s
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia EólicaCategorização das turbinas eólicas – Rotor Horizontal / HAWT
Esquema de uma turbina eólica com rotorde eixo horizontal
ÁreaRotor
DiametroRotor
Pá Rotor
Casa de máquina com transmissão e Gerador
TorreAlturaRotor
Vista Frontal Vista Lateral
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Aula Energias Renováveis
Energia Eólica -- História- Potencial eólico- Categorização das turbinas eólicas- Características das turbinas eólicas
- Construção de turbinas eólicas
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 5 10 15 20 25 30
Windgeschwindigkeit [m/s]
Leis
tung
sb
eiw
ert
cp
[1]
0
400
800
1200
1600
2000
2400
Le
istu
ng
[k
W]
Leistungsbeiwert cp [1]
Leistung [kW]
Nennwind-geschwindigkeit
Abschaltwind-geschwindigkeit
Auslegungswind-geschwindigkeit
Anlaufwind-geschwindigkeit
Enercon E 70:Equipamento com potência nominal de 2300 kW
Cut-in: Com ventos iniciais entre 2,5 - 4,5 m/s o freio do rotor é liberado e o aerogerador entra em operação.Atinge o coeficiente máximo de potência máxima com ventos entre 6 – 10 m/s.Velocidade Nominal do Vento (típico entre 10 - 16 m/s) o equipamento atinge sua potência nominal.Cut-out: Para não sobrecarregar o gerador elétrico, o sistema é desativado quando o vento atinge velocidades entre 20 –34 m/s.
Características do Sistema
Velocidade do Vento (m/s)
Po
tên
cia
No
min
al (
kW)
Co
efic
ien
te d
e P
otê
nci
a c
p(1
)
Velocidade do Vento (m/s)
Coef. Pot. (1)Pot. Nom. (kW)
Cut-in
Cut-out
Velocidade Nominal do Vento
Cpmáximo
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Efeito Estol:
• A teoria mais simples e antiga, de Johannes Juul desenvolvida na década de 50 na Dinamarca (conhecido também como conceito dinamarquês).
• As condições do fluxo do ar se alteram nas pás do rotor com a velocidade do vento• A partir de 14 m/s se inicia a perda de eficiência aerodinâmica (Efeito Estol) e forte turbulência nas
pás do rotor.• Este fenômeno aumenta com a velocidade do ar, limita e neutraliza o desempenho do equipamento
quanto a potência nominal.
Estol (Stall) – Perda de Eficiência / Sustentação
Vento Normal Vento Forte
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia EólicaConceito Pitch e Stall
Perda de eficiência aerodinâmica
Posição Stall Posição Pitch
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Aula Energias Renováveis
Energia Eólica -- História- Potencial eólico- Categorização das turbinas eólicas- Características das turbinas eólicas- Construção de turbinas eólicas
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Escolha do Local – Classe de Rugosidade
A classe de rugosidade “0" pertence a áreas com água: mar e lagos.
A classe de rugosidade "1" caracteriza áreas abertas com poucos obstáculos para o vento. Isto aplica-se a terrenos muito abertos e planos ou levemente acidentados: planícies, pistas de aeroportos, grandes áreas sem árvores (arvores isoladas e de pequeno porte ou grupo de arbustos são desconsiderados).
A classe de rugosidade “2" identifica áreas que tenham fragmentos de obstáculo ao vento afastados por no mínimo 1 km, inclusive casas individuais. A área é caracterizada por grandes espaços abertos, mas com eventuais barreiras ao vento. O terreno pode ser plano ou montanhoso, com algumas árvores e edifícios.
A classe de rugosidade “3" carcteriza pequenas vilas, florestas, áreas agrícolas com muitas árvores, entretanto com fragmentos afastados no mínimo 100 m (cidades tem alto índice Zo).
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Para que seja realizado o transporte de turbinas eólicas muito pesadas, as estradas rurais existentes normalmente tem que ser reformadas / alargadas. A estrada é feita de areia, telas metálicas / plásticas para estabilização e pedra brita. Às vezes, essas estradas rurais são asfaltadas após a conclusão da construção.
Infraestrutura
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Infraestrutura
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Devido as cargas laterais é comum utilizar fundações profundas para os aerogeradores, por exemplo, estacas. Essas estacas atingem uma profundidade de 15 metrose complementam o projeto de fundações.
Sobre as estacas é contruído um bloco de coroamento e uma caixa de concreto armado.
Fundações
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Fundações
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
O percurso da eletricidade até a edificação:
Exemplo (varia de acordo com o estudo econômico): A turbina eólica produz corrente continua a 400 V, converte na própria torre para 34,5 kV, a energia é conduzida para o transformador elevador local que aumenta a tensão para 230 kV. A eletricidade é transportada aos centros consumidores mais próximos, passa pelo transformador abaixador para distribuição primária dentro da zona urbana (em 13,8 kV ou 34,5 kV), a eletricidade passa pelo transformador de distribuição, onde a tensão é baixada para 127 ou 220 V para os consumidores nas residências e comércios ou 220 e 380 V nas industriais.
As turbinas eólicas são ligados entre si e a uma subestação. Os cabos são aterrados em valas com 150 centímetros profundidade .
Instalações Elétricas
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Transporte
Para o transporte de uma grande turbina eólica são necessários, em média, sete caminhões de grande carga. O transporte das pás do rotor é realizado em uma carreta especial com 40 metros de comprimento. Por causa do comprimento extra dos veículos e do excesso de peso o transporte ocorre principalmente à noite e acompanhado por veículos batedores e da polícia.
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Montagem
A torre de um aerogerador de grande porte é constituída de três ou quatro partes. A parte inferior da torre é parafusada na caixa de concreto armado das fundações. O rotor com as pás são montadas no corpo principal da casa de máquinas e posteriormente transportado para o topo da torre com um guindaste, onde a montagem é finalizada.
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Montage
Para a montagem dos aerogeradores são utilizados 2 guindastes de grande porte. O guindaste principal pesa 500 toneladas. Ele é transportado desmontado em nove vagões de trem de carga e montado novamente no local da obra.
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Turbina eólica com transmissão
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Turbina eólica sem transmissão
Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
Do vento para a tomada!