Os Geradores Eólicos

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- Tecnologias aplicadas na geração de energia eólica

A turbina eólica capta uma parte da energia cinética do vento que passa através da área varrida pelo rotor e a transforma em energia mecânica de rotação. O eixo do rotor acionando o gerador elétrico transforma uma parte desta energia mecânica de rotação em energia elétrica. A potência elétrica gerada em watts é uma função da velocidade ao cubo do vento, dada pela equação [1]:

[1][pic 2]

Onde representa o rendimento considerando as perdas no conjunto de transmissões mecânicas e as perdas no gerador, isto é, a eficiência do aerogerador.[pic 3]

O termo representa o coeficiente aerodinâmico de potência do rotor, cujo valor máximo é = 0,593 e o valor usual assume = 0,45. [pic 4][pic 5][pic 6]

O termo representa a massa específica do ar, que a 15ºC e ao nível do mar vale =1,225kg /m3.[pic 7][pic 8]

O termo representa o raio do rotor da turbina em metros e a velocidade dos ventos em metros por segundo.[pic 9][pic 10]

Com a acentuada expansão das estações eólicas no mundo nos últimos anos, os geradores eólicos se encontram em franco desenvolvimento tecnológico, tendo como objetivo o aumento progressivo nas dimensões e capacidades de geração das turbinas.

Na figura 1, algumas ilustrações relacionadas as dimensões de turbinas disponíveis no mercado comparando as com o Boeing 747. A velocidade angular do rotor da turbina em radianos por segundo é inversamente proporcional ao seu raio , aproximadamente calculada por [2]:[pic 11][pic 12]

[2][pic 13]

[pic 14]

Figura 10 – Dimensões típicas das turbinas eólicas comparando com as dimensões do Boeing 747.

A geração de energia elétrica se inicia com velocidades de ventos da ordem de . Abaixo deste valor o conteúdo energético do vento não justifica o seu aproveitamento. Esta faixa de velocidade corresponde a região I na figura 2.[pic 15]

Na região II na figura 2 a velocidade do vento varia de até . Nesta região a potência disponível no eixo do gerador varia com o cubo da velocidade do vento e corresponde a região onde se inicia o processo de conversão eletromecânica da energia do vento. Para velocidades de vento superiores a e menores que , região III na figura 2, é ativado o sistema de limitação automático de potência da turbina, que pode ser por controle do ângulo de passo das pás ou por estol aerodinâmico, dependendo do modelo da turbina. Nesta região a potência disponível no eixo do gerador é constante. Para ventos muito fortes com velocidade superior a , região IV na figura 2, atua o sistema automático de proteção, reduzindo a rotação das pás e o gerador elétrico é desconectado da rede elétrica.[pic 16][pic 17][pic 18][pic 19][pic 20]

[pic 21]

Figura 11 – Curva de geração de energia elétrica extraída da turbina eólica.

A turbina eólica, devido à característica de velocidade variável do vento, não consegue transformar a energia do vento em energia mecânica mantendo a rotação do eixo constante. Em função desta característica é necessário construir um grupo gerador eólico-elétrico que seja capaz de gerar energia elétrica e entregar a rede com frequência constante.

1 - Grupos Eólico-Elétricos Assíncronos

Nestes grupos o eixo da turbina eólica está acoplado ao eixo de um gerador assíncrono trifásico, que pode ser com rotor de gaiola ou rotor bobinado. Como os geradores assíncronos são máquinas elétricas que apresentam velocidade de operação bem superior à da turbina, exigem que entre a turbina eólica e o gerador seja acoplado um ampliador de velocidade. O grupo eólico-elétrico assíncrono quando conectado à rede através de um conversor de frequência ou quando duplamente alimentado se torna bastante flexível atendendo perfeitamente as duas características da conversão eólico elétrica da energia cinética dos ventos, ou seja, opera perfeitamente nas regiões II e III do gráfico mostrado na figura 2.

2 - Grupos Eólico-Elétricos Síncronos

Nestes, o eixo da turbina eólica está acoplado ao eixo de um gerador síncrono trifásico, que pode ser com circuito de excitação independente no rotor ou ímãs permanentes no rotor. Nesta tecnologia, nos grupos de menor potência (menor do que 1MW), o gerador síncrono apresenta velocidade de operação bem superior à da turbina exigindo um ampliador de velocidade acoplado entre a turbina e o gerador. Porém nos grupos de maior potência (maior do que 1MW) normalmente o gerador síncrono é fabricado com um número muito grande de pólos e para uma frequência nominal baixa, fazendo com que sua velocidade de operação seja da mesma ordem da turbina, não necessitando do multiplicador de velocidade, mas sim de um acoplamento planetário entre a turbina e o gerador.

- Geradores

a) O gerador está conectado diretamente à rede elétrica operando com velocidade fixa

Este grupo eólico-elétrico pode ser constituído de um gerador assíncrono ou um gerador síncrono, conforme mostrado esquematicamente na figura 3.

[pic 22]

Figura 12- Grupo eólico-elétrico conectado diretamente à rede elétrica.

a) Gerador assíncrono de gaiola. b) Gerador síncrono com excitação independente

Ambos trabalham com velocidade de rotação acima dada turbina exigindo um multiplicador de velocidade, normalmente de vários estágios. O gerador síncrono deve trabalhar com rotação constante, tornando o grupo rígido, exigindo sincronização com a rede e, consequentemente, não permitindo nenhuma regulação de velocidade. Já o gerador assíncrono permite uma pequena variação de velocidade devido a sua característica de funcionamento, ou seja, o escorregamento, fazendo com que o grupo seja um pouco mais flexível. Para aumentar esta flexibilidade, em alguns casos é aplicado um gerador assíncrono de gaiola com duplo enrolamento no estator com polaridades diferentes.

b) O gerador está conectado à rede elétrica através de um conversor

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