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1

Sistemas de Gerao Elica

Prof. Romeu ReginatoOutubro de 2010

2

Cronograma

Aula 1. Panorma de gerao elica 22/11

Aula 2. Operao de sistemas de gerao elica 29/11

Aula 3. Tecnologias de gerao elica 06/12

Aula 4. Modelagem de sistemas de geraoelica 13/12

3

Viso bsica da tecnologia

4

Evoluo das turbinas elicas

Adaptado de: Molly, J.P.; Global Renewable Energy Forum; Foz do Iguau, 2008.

5

Torre

TurbinaElica

Ps daTurbina

6

Estrutura de um aerogerador

Fonte: Tarnowski, 2006.

Nacele

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Wind Power; Power House; http://www.powerhousetv.com

Orientaoda turbina

Ajuste dongulo depasso das

ps

8

Diagrama EsquemticoSistema de Gerao Elica

Gerador

Conversoresttico

Conexo aosistema eltrico

Turbina

Engrenagemamplificadora

EnergiaElica

EnergiaEltrica

9

O Vento

10

Velocidade do vento

Ventos aproveitveis ventos de superfcie

Variveis Larga escala. Latitude e insolao regies mais

ventosas que outras.

Regio climtica. Proporo terra e mar, montanhasx plancies, tipo de vegetao.

Locais. Topografia, obstculos.

11

Velocidade do vento Caractersticas temporais

Variaes ao largo de dcadas influnciasclimticas

Variaes anuais um ano para outro

Variaes sazonais (estaes do ano) - mais fceisde caracterizar

Variaes diuturnas (dia x noite)

Turbulncias12

Espectro Frequencial Tpico daVelocidade do Vento

Fonte: Burton, Wind Energy Handbook, 2001.

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13

Espectro Frequencial Tpico daVelocidade do Vento

Fonte: Burton, Wind Energy Handbook, 2001.

VelocidadeMdia

Turbulncia

14

Caracterizao da velocidade dovento

Velocidade mdia Vm Turbulncia v

vVV mw +=

15

vVV mw +=iaturbulnc-

mdiaevelocidad-

v

Vm

Caracterizao da velocidade do vento

Velocidade mdia vento til,aproveitvel para gerao elica

Turbulncia variaes rpidas deventos, perturbaes, induzem variaesindesejveis na potncia gerada

16

Exemplo: Velocidade de ventoLocal: Vindeby, Dinamarca

Fonte: Tarnowski, 2006

17

Exemplo: Velocidade de ventoVelocidade mxima diria

0 100 200 300 400 500 6000

5

10

15

20

25

30

dia

v(m/s)

18

Caracterizao da velocidade do ventoTurbulncia Flutuaes de velocidade de vento

relativamente rpida (inferiores a 10min) Exemplo: Rajadas de vento Fenmeno complexo de modelar

Modelagem Natureza randmica/aleatria Distribuio gaussiana, mdia 0, varincia Intensidade: I = / Vm

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Caracterizao da velocidade do ventoVelocidade Mdia

Variaes sazonais ao longo de um ano

Variaes sinpticas ciclos de aproximadamente 4 dias relao com variaes de presso (global)

Variaes diuturnas ciclos de 24h variaes locais de temperatura

20

Caracterizao da velocidade do ventoVelocidade Mdia

Variaes sazonais Distribuio deWeibull

km CV

k

mm e

C

V

C

kVf

)/(

1

)(

=

( )

( )smV

smC

k

m /ventodoevelocidad-

/escaladefator-

formadefator-

21

Caracterizao da velocidade do ventoDistribuio de Weibull

Distribuio deProbabilidadeda velocidade

de vento

0 5 10 15 20 25 300

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

v (m/s)

Distribui

odeprobabilidade

22

Caracterizao da velocidade do ventoDistribuio de Weibull

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

Velocidade em m/s

Probabilidade

deOcorrnciaem

%

Vero

Outono

Inverno

Primavera

23

Caracterizao da velocidade do ventoVento simulado

Velocidade mdia = 0.8 puIntensidade de turbulncia = 11%


Caracterizao da velocidade do vento

Comparao real x simulado

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25

Potncia disponvel no vento

3

2

1ww VAP =

( )( )smV

mA

mKg

w /ventodoevelocidad-

pspelascobertarea-

)/(ardodensidade-

2

3

26

Caracterizao da velocidade do ventoDensidade de potncia do vento

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Velocidade em m/s

DensidadedePotnciaemW/m2

VeroOutonoInvernoPrimavera

27


0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

2025

30

35

40

45

50

55

Velocidade em m/s

Densidadede

PotnciaemW/m2


Ventos maisfrequentes,mas pouco

intensos

28


0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

2025

30

35

40

45

50

55

Velocidade em m/s

Densidadede

PotnciaemW/m2


Ventos fortes,mas pouco

frequentes

Ventos maisfrequentes,mas pouco

intensos

29

Potncia capturada pela turbina

3

2

1wpwpt VCAPCP ==

( )

( )smV

C

mA

mKg

w

p

/ventodoevelocidad-

potnciadeecoeficient-

pspelascobertarea-

)/(ardodensidade-

2

3

30

Potncia capturada pela turbina

3

2

1wpwpt VCAPCP ==

( )

( )smV

C

mA

mKg

w

p

/ventodoevelocidad-

potnciadeecoeficient-

pspelascobertarea-

)/(ardodensidade-

2

3

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31

Potncia de uma Turbina EPotncia de uma Turbina Elicalica


Velocidadedo vento

32

Turbina Elica

Coeficiente de potncia. Traduzquanto da energia disponvel novento capturvel.

),( fCp =

turbinadapsdaspassodengulo-

turbinadaangularevelocidad-

turbinadapsdasocompriment-

esvelocidaddeRelao

-

=

t

w

t RV

R

(coeficiente de potncia)

33

Relao de velocidades (tip speed ratio)

Grande parte daenergia capturada dovento ocorre prximoa ponta das ps

w

t

w

p

VR

VV ==

34

Comportamento do coeficiente deComportamento do coeficiente depotncia (tpotncia (tpicopico Turbina de 3 pTurbina de 3 ps)s)

Cp(,)

w

t

VR

=

ngulo depasso das

ps


35

Comportamento de Cppara diferentes turbinas

36

Coeficiente de potncia

Varia com , a relao de velocidades daturbina pela velocidade do vento.

Varia com o ngulo de passo das ps .

Sempre menor que 0.59 (Limite de Betz)

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37

Coeficiente de potncia

Para cada ngulo de passo das ps,existe um valor de que maximizaCp

Para cada velocidade de vento h umvalor de velocidade da turbina quemaximiza Cp

Maximizar Cpsignifica extrair o mximo dapotncia disponvel no vento

38

MaximizaMaximizao do Coeficiente de Potnciao do Coeficiente de Potncia

Cp(,)

w

t

VR

=

Valor

mximo

Lambdatimo

39

MaximizaMaximizao do Coeficiente deo do Coeficiente dePotnciaPotncia

Fixa-se o melhor ngulo de passo das ps=0.

Escolhe-se = opt

Velocidade da turbina fica amarrada velocidade do vento

woptt

w

t

w

pV

RV

R

V

V

1 ===

40

MaximizaMaximizao do Coeficiente deo do Coeficiente dePotnciaPotncia

33

2

1woptw

MAX

pw

MAX

pt VKVCAPCP ===

Potncia na turbina resulta proporcionalao cubo da velocidade do vento

Velocidade da turbina fica proporcional avelocidade do vento

41

MaximizaMaximizao do Coeficiente deo do Coeficiente de

PotnciaPotncia

33

2

1woptw

MAX

pw

MAX

pt VKVCAPCP ===

Potncia na turbina resulta proporcionalao cubo da velocidade do vento

Velocidade da turbina fica proporcional avelocidade do vento

Maximum Power Point Tracking

MPPT

42

MaximumMaximumPowerPowerTrackingTracking

Velocidadedo vento

32

3wtopotima VKKP ==

Potnciamxima para

cada velocidadede vento

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Potncia da turbina

A potncia da turbina depende davelocidade do vento e da velocidade daturbina.

Para cada velocidade de vento, h umavelocidade da turbina que maximiza apotncia da turbina a variao davelocidade da turbina permitemaximizar a potncia da turbina paracada velocidade de vento.

44

Tipos de Turbinas Elicas

Velocidade fixa Velocidade da turbina praticamente amesma, independentemente da velocidadedo vento.

Velocidade varivel Velocidade da turbina varia razoavelmente

com a velocidade do vento. Faixa limitada Faixa ampla

45

ComparaComparao de potncias: Turbinas deo de potncias: Turbinas develocidade fixa e varivelocidade fixa e varivel para uma dadavel para uma dada

velocidade de ventovelocidade de vento

Potncia paraturbina de

velocidade varivel

Potncia para

turbina develocidade fixa

46

Operao de Aerogeradores

47

Curva Tpica de Potncia

Turbina Enercon, 2MW

0 5 10 15 20 25 300

500

1000

1500

2000

2500

PotnciaemkW

Velocidade em m/s 48

Regio de operao da turbina Cut-in speed. Velocidade mnima de vento para

que se possa produzir energia eltrica.

Cut-off speed. Mxima velocidade de operaoda turbina (limite de segurana).

Turbinas elicas tipicamente operam emvelocidades de vento na faixa de 3 a 4m/s at15 a 20 m/s.

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Curva Tpica de PotnciaTurbina Enercon, 2MW

0 5 10 15 20 25 300

500

1000

1500

2000

2500

PotnciaemkW

Velocidade em m/s

Cut-off speed

Cut-in speed 50


0 5 10 15 20 25 300

500

1000

1500

2000

2500

PotnciaemkW

Velocidade em m/s

Cut-off speed

Cut-in speed

Regio depotncia

constante/limitada

51


0 5 10 15 20 25 300

500

1000

1500

2000

2500

P

otnciaemkW

Velocidade em m/s

Cut-off speed

Cut-in speed

Regio depotncia

constante/limitada

Regio de potnciavarivel

(controle/regulao)

52

Operao de turbina de velocidade fixa

Cut-in speed Cut-off speedFonte: Tarnowski, 2006

P=cte

tvarivel

3),(5.0 wp

t

VACP

cte

=

=

53

Operao de turbina de velocidade varivel

Cut-in speed Cut-off speedFonte: Tarnowski, 2006

P=cteCpvarivel

wt

p

V

cteC

=

54

Potncia de uma turbina de velocidade

varivel

Cut-in speed Cut-off speed

Regio depotncia tima


Potncianominal

Potncia zero

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55

Regio de operao da turbina

Cut-in speed. Potncia gerada nestavelocidade prxima de zero.

A potncia nominal do aerogerador produzida para uma velocidade de vento deprojeto e na velocidade nominal da turbina.

Para velocidades de vento acima da nominal,a potncia gerada mantida constante.Neste caso, a potncia disponvel no ventono aproveitada.

56

Regio de potncia constante Controle stallpassivo. Turbina projetada para perder

eficincia para ventos fortes, limitando a potnciagerada. Ps so fixas no rotor. Barato e simples. No permite partidas assistidas.

Controle stallativo. Limita a potncia de maneirasimilar ao stall passivo. de maneira a controlar o stall. ngulo das ps pode ser ajustado. Partidas assistidas e paradas de emergncia.

Controle pitch. Limitao de potncia pelo ngulo dasps, em sentido inverso ao stall. Partidas assistidas e paradas de emergncia. Sensvel a flutuaes de vento para velocidades elevadas.

57

Efeito Stall

laminar stall

Criam-se vrtices no fluxo do vento prximo da p

reduzindo a fora transferia p

Depende da velocidade do vento e do ngulo da p58

Turbina Elica - Torque

Torque da turbina:

t

ww

PT

=

t

wpw

VCAT

3

2

1=

2

topotimo KT =Torque timo:

59

Sumrio das CaractersticasOperativas

So aproveitados ventos de 3 a 20 m/s(tipicamente)

Ventos de 7 a 12 m/s so os mais desejados(otimizao da potncia capturada)

Ventos variam em: Velocidade mdia Turbulncia

60


Potncia ativa gerada funo no-linear da: Velocidade do vento Velocidade da turbina ngulo de passo das ps da turbina

Variao de velocidade mdia variao dapotncia ativa gerada Fator de capacidade Coordenao de gerao

Turbulncia - flutuaes de potncia ativaFlicker

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Regio de potncia varivel

MPPT otimizao da captura de potnciadisponvel no vento (velocidade varivel)

Produz a potncia que resultar do ventodisponvel (velocidade fixa)

ngulo de passo das ps nulo62


Regio de potncia constante

Potncia limitada nominal

Controle stallpassivo ngulo das ps fixo, masturbina perde potncia com aumento de velocidade

Controle pitchestallativo - ngulo de passo das ps variado conforme velocidade do vento

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Documents

variaes locais

variaes sinpticas

variaes sazonais estaes

gerao elicaprof

nacele5272018 aula2

vm5272018 aula2

wind energy handbook

modelagem de sistemas