Turbina eólica: conceitos

Turbina eólica: conceitos
Introdução
• A turbina eólica, ou aerogerador, é uma máquina eólica que
absorve parte da potência cinética do vento através de um rotor
aerodinâmico, convertendo em potência mecânica de eixo
(torque x rotação), a qual é convertida em potência elétrica
(tensão x corrente) através de um gerador elétrico.
• Ela pode extrair energia cinética somente do ar que passa
através da área interceptada pelas pás rotativas. Embora
combinada com a eficiência do modelo, a área varrida pelo
rotor circular (π r2) é um fator crucial na determinação da
energia entregue pela turbina eólica.
Introdução
• No início da utilização da energia eólica, surgiram turbinas de
vários tipos - eixo horizontal, eixo vertical, com apenas uma
pá, com duas e três pás, gerador de indução, gerador síncrono
etc. Com o passar do tempo, consolidou-se o projeto de
turbinas eólicas com as seguintes características: eixo de
rotação horizontal, três pás, alinhamento ativo, gerador de
indução e estrutura não-flexível, como ilustrado a seguir.
Introdução
•
Como o regime dos ventos não é constante (a velocidade dos ventos varia),
as turbinas eólicas são projetadas para trabalhar em uma determinada faixa
de velocidade de vento que é determinada abaixo da velocidade máxima
dos ventos no local onde será instalada.
•
Isso porque, se ela fosse projetada para trabalhar com a velocidade máxima
do vento no local, além de requerer uma estrutura mais robusta (o que
encareceria o projeto), isso também aumentaria a velocidade de
acionamento (a velocidade de acionamento é aquela a partir da qual a
turbina começa a gerar energia) já que, quanto mais pesada for a turbina
mais energia cinética (do movimento dos ventos) é necessária para colocála em movimento.
•
Assim, quando a velocidade dos ventos estivesse muito abaixo da máxima
não seria produzida energia, significando desperdício.
Introdução
•
Existem dois modos de se implementar um controle de potência em rotores
de baixa solidez: o primeiro consiste em um sistema de controle ativo (é
necessária a interferência de um operador) pelo qual se altera o ângulo do
passo (picth, figura 1)ao girar as pás em seu eixo longitudinal de forma a
reduzir seu ângulo de ataque, diminuindo, consequentemente, a velocidade
das hélices;
•
O segundo método consiste em um controle passivo (“stall” ou estol, em
português) que se baseia em um projeto aerodinâmico das pás de forma que
quando a velocidade do vento atinge determinados valores as pás
automaticamente entram em “stall”, ou seja, quando a velocidade do vento
supera a velocidade nominal, o escoamento em torno do perfil da pá do
rotor “descola” da superfície da pá aumentando a força de arrasto.
Aerodinâmica das pás
•
A energia cinética bruta por unidade de tempo, potência, do vento passando por
uma área A perpendicular ao seu vetor velocidade instantânea V, é dada por:
P = Cp(λ
λ,β
β) 1/2 ρ.A.V3
onde :
• ρ = densidade do ar, que varia com a latitude e as condições atmosféricas;
• Cp(λ
λ,β
β) = é o coeficiente da performance que se relaciona com a energia
cinética de saída e depende do modelo e na relação λ ou TSR, entre a
velocidade do rotor e a velocidade do vento ou seja, depende da taxa de
velocidade e do ângulo de passo β das pás da turbina. Existem curvas onde se
pode extrair o Cp ou se pode fazer o cálculo.
• V = velocidade do vento em m/s2.
Aerodinâmica das pás
•
Este diagrama de blocos representa o cálculo das equações aerodinâmicas
estáticas da turbina, sendo assim, dadas a velocidade angular do rotor, a
velocidade instantânea do vento e o ângulo de passo obtêm-se o torque do
rotor.
Um Modelo Mecânico
•
O torque do rotor é variável de entrada para o modelo dinâmico referente à
parte mecânica do sistema. Na figura abaixo é apresentado o diagrama
equivalente deste sistema. O torque Tg é o desenvolvido pelo gerador
elétrico para geração de energia
A equação de estado do sistema
mecânico
Simulação de aerogerador
• O β é calculado pelo controle de passo da
turbina.
Controle de passo
•
•
O ângulo de passo β é controlado quando ocorrem variações na velocidade
do vento, de modo que a potência de saída se mantenha dentro dos limites
da máquina.
A variável realimentada, potência mecânica, é calculada a partir da
medição da velocidade do vento, através de uma unidade de controle de
potência. O diagrama de blocos d e um tipo de controle do ângulo de passo
é mostrado na figura abaixo.