Processamento da Energia Eólica

Processamento da Energia Eólica
Professor: Marcello Mezaroba Dr.
Email: [email protected]
Maio de 2016
Sumário
I.
Componentes de um aerogerador de eixo horizontal
II. Funcionamento de um gerador eólico horizontal
III. Ação aerodinâmica em aerogeradores
IV. Controle de velocidade e potência
V. Principais tecnologias de aerogeradores
VI. Principais conversores para acionamento
VII.Funcionalidades de geradores eólicos modernos
VIII.Futuras tecnologias
Componentes de um aerogerador de eixo horizontal
Componentes de um aerogerador de eixo horizontal
Componentes de um aerogerador de eixo horizontal
Funcionamento de um gerador eólico horizontal
Forças atuantes em uma pá de aerogerador
Ação aerodinâmica em perfis estacionários
Efeito Bernoulli
Cw – Coeficiente de
sustentação (depende do
ângulo de ataque (α) e da
turbulência
v – Velocidade do vento
A – Área da superfície
ρ – Densidade do ar
Ação aerodinâmica em perfis estacionários
Perfil aerodinâmico
Fx - Força de Arrasto (drag)
Fy - Força de Sustentação (lift)
Cx – Coeficiente de arrasto
Cy - Coeficiente de sustentação
𝐶𝑦
= 1
𝑡𝑔(
𝐶𝑥
)
Ação aerodinâmica em perfis em rotação
𝑣 - velocidade estacionária
𝑢 - velocidade de giro
𝑐 - velocidade relativa do vento
𝐹𝑥 - Força de Arrasto (drag)
𝐹𝑦 - Força de Sustentação (lift)
𝐹𝑎- Força axial
𝐹𝑢- Força util (rotação)
Ação aerodinâmica em perfis em rotação
Teorema de Betz e potência
Potência extraída do vento
Coeficiente de potência
v - Velocidade do vento antes das pás
vo – Velocidade do vento após as pás
ρ - Densidade do ar
A - Área coberta pelas pás da turbina eólica
𝐾=
𝑣𝑜
𝑣
Equação de Betz
Teorema de Betz e potência
=
𝑢 𝑟
=
𝑣
𝑣
r - Raio da turbina
 - Velocidade angular da hélice
β - ângulo de passo da turbina
Potência máxima depende de “”
Controle de velocidade e potência
Controle por estol (stall)
O efeito de estol ocorre quando o fluxo
de ar na superfície do perfil deixa,
abruptamente, de fixar‐se à superfície,
passando a girar em um vórtice irregular
(turbulência) e assim a força de
sustentação diminui.
• Estrutura de cubo do rotor simples
• Menor manutenção devido a um
número menor de peças móveis
• Auto-confiabilidade do controle de
potência.
• Sobrecarga mecânica nas hélices
Controle de velocidade e potência
Controle por ângulo de passo (pitch)
Esse controle é feito movendo‐se aletas em cada pá
através de servomecanismos de modo a incrementar ou
decrementar poucos graus cada vez que o vento mudar
sua intensidade de modo a manter um ângulo ótimo
para extração de potência para todas as
velocidades do vento.
Controle de velocidade e potência
Controle por ângulo de passo (pitch)
•
•
•
•
•
•
•
•
Controle de ativo de potência ativo sob todas as
condições de vento
Ajuste de potência em função da 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.
Diagrama de blocos do controle de um aerogerador
Controle de velocidade e potência
Mapa tecnológico de aplicações em turbinas eólicas
Principais tecnologias de aerogeradores
CS – velocidade constante
multiplicador e gerador de indução
com
DFIG – velocidade variável com
multiplicador e gerador de indução com
rotor bobinado e acionamento parcial
DD EE – velocidade variável
com
gerador síncrorono e acionamento total
DD PM – velocidade variável com
gerador síncrono de ímãs permanentes e
acionamento total
GFC PM – velocidade variável com
multiplicador, gerador síncrono de ímãs
permanentes e acionamento total
GFC IG
- velocidade variável com
multiplicador , gerador de indução e
acionamento total
Principais tecnologias de aerogeradores
Gerador de indução com rotor gaiola de esquilo - CS
•
•
•
•
Acionamento direto da rede
Velocidade constante
Necessita circuito de partida (inrush)
Capacitores para compensação
de reativos
Principais tecnologias de aerogeradores
Gerador de indução com rotor bobinado - DFIG
•
Caixa multiplicadora multiestágios
•
Velocidade variável (60% a 110%)
•
Gerador padrão de baixo custo
•
Acionamento parcial (25% Pn)
•
Possibilita MPPT
Principais tecnologias de aerogeradores
Gerador Síncrono com acionamento direto - DD
•
Acionamento eletrônico total
•
Dispensa caixa multiplicadora
•
Velocidade variável
•
Menor manutenção
•
Custo elevado
Principais tecnologias de aerogeradores
Gerador síncrono de imãs permanentes
•
Acionamento eletrônico total
•
Utiliza caixa multiplicadora
•
Velocidade variável
•
Custo elevado
•
Melhor comportamento durante
falhas na rede.
Principais conversores para acionamento
Conversor back to back com inversor de tensão 2 níveis (2L-BTB)
Principais conversores para acionamento
Conversor back to back com inversores em paralelo (Parallel 2L-BTB)
Principais conversores para acionamento
Conversor back to back com inversor de tensão 3 níveis (3L-NPC BTB)
Estrutura de Controle para aerogeradores
Aerogeradores com velocidade constante
Estrutura de Controle para aerogeradores
Aerogeradores com velocidade variável
Estrutura de Controle para aerogeradores
Controle de turbinas modernas
Funcionalidades de geradores eólicos modernos
Funcionalidades de geradores eólicos modernos
Operação em conjunto com armazenamento de energia
Funcionalidades de geradores eólicos modernos
Operação em conjunto com armazenamento de energia
Principais configurações para despacho de energia
Futuras tecnologias para transmissão da energia eólica
Conversores multiníveis
modulares sem isolação
Conversores com isolação em
média frequência
Referências Bibliográficas
1.
F. Blaabjerg and K. Ma, "Future on Power Electronics for Wind Turbine Systems," in IEEE Journal of
Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 1, no. 3, pp. 139-152, Sept. 2013.
2. H. Polinder, "Overview of and trends in wind turbine generator systems," 2011 IEEE Power and
Energy Society General Meeting, San Diego, CA, 2011, pp. 1-8.
3. L. Y. Pao and K. E. Johnson, "A tutorial on the dynamics and control of wind turbines and wind
farms," 2009 American Control Conference, St. Louis, MO, 2009, pp. 2076-2089.
4. H. Polinder, J. A. Ferreira, B. B. Jensen, A. B. Abrahamsen, K. Atallah and R. A. McMahon, "Trends in
Wind Turbine Generator Systems," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power
Electronics, vol. 1, no. 3, pp. 174-185, Sept. 2013.
5. Gabriel Tibola. Sistema eólico de pequeno porte para geração de energia elétrica com rastreamento
da máxima potência. 2009. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal
de Santa Catarina.
6. Daniel Augusto Figueiredo Collier. Modelagem e Controle de Retificadores PWM Trifásicos
Conectados a Geradores Síncronos a Ímas Permanentes em Sistemas de Conversão de Energia
Eólica. 2011. Dissertação (Mestrado em Eng. Elétrica) - Universidade Federal de Santa Catarina.
7. Energia Eólica - Princípios e Tecnologias e-book Organização: Ricardo Dutra
8. http://www.alternative-energy-tutorials.com/wind-energy/synchronous-generator.html
9. http://www.homofaciens.de/technics-electric-motors-synchronous-motor_en_navion.htm
10. https://www.comsol.com/blogs/simulating-permanent-magnet-generators/
11. https://www.youtube.com/watch?v=p5k2LhKBSgQ