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  1. 1. 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
  2. 2. Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis ​​de energia – Energia Eólica
  3. 3. 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 Médio Forte
  4. 4. 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 Médio Forte
  5. 5. 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 utilizável 3,6 – 4,6 m/s utilizável 4,5 – 5,6 m/s bom 5,6 – 8,6 m/s muito bom
  6. 6. 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
  7. 7. 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
  8. 8. 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) AlturaRotor Potência Rotor (diâmetro) Altura Rotor Geração Anual
  9. 9. 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 Rotor 126 m
  10. 10. 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
  11. 11. 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)
  12. 12. 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
  13. 13. Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis ​​de energia – Energia Eólica Efeito Esteira em Parque Eólico
  14. 14. 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 1 wAPWind ⋅⋅⋅= 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] Windleistung[kW] Densidade Temperatura PotencialEólico(kW) Velocidade do Vento (m/s) Onde: P = potência média do vento [W] ρ = densidade do ar seco = 1,225 kg/m³ w = velocidade média do vento [m/s] A = área do rotor [m²] Nota: Uma turbina de um aerogerador moderno possui entre 25% - 40% de eficiência (energia cinética-mecânica)
  15. 15. 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): 16 Velocidade 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 1 wAPWind ⋅⋅⋅= ρ
  16. 16. 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): 16 Velocidade média do vento [m/s]: 12 ρ = 1,225 kg/m³ Eficiência Turbina - Coeficiente Cp: 40% Resultados do Aerogerador: Potência Instantânea (kW): 85,121 Potencial Mensal (kWh): 62.138,16 Potencial Anual (kWh): 745.657,87 Demanda atendida: Sala de aula (A/C + iluminação): 3 2 1 wAPWind ⋅⋅⋅= 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
  17. 17. 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
  18. 18. 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
  19. 19. Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis ​​de energia – Energia Eólica Categorização das turbinas eólicas – Rotor Darrieus Funcionamento de uma Turbina Eólica de 4 MW de acordo com o princípio de Darrieus Local: Canadá Altura: 96 m Diâmetro: 64 m Área vento: 64 m² Diâmetro 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
  20. 20. Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis ​​de energia – Energia Eólica Categorização das turbinas eólicas – Rotor Horizontal / HAWT Esquema de uma turbina eólica com rotor de eixo horizontal Área Rotor Diametro Rotor Pá Rotor Casa de máquina com transmissão e Gerador TorreAltura Rotor Vista Frontal Vista Lateral
  21. 21. 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
  22. 22. 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] Leistungsbeiwertcp[1] 0 400 800 1200 1600 2000 2400 Leistung[kW] 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) PotênciaNominal(kW) CoeficientedePotênciacp(1) Velocidade do Vento (m/s) Coef. Pot. (1) Pot. Nom. (kW) Cut-in Cut-out Velocidade Nominal do Vento Cp máximo
  23. 23. 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
  24. 24. Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis ​​de energia – Energia Eólica Conceito Pitch e Stall Perda de eficiência aerodinâmica Posição Stall Posição Pitch
  25. 25. 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
  26. 26. 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).
  27. 27. 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
  28. 28. Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis ​​de energia – Energia Eólica Infraestrutura
  29. 29. 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 metros e complementam o projeto de fundações. Sobre as estacas é contruído um bloco de coroamento e uma caixa de concreto armado. Fundações
  30. 30. Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis ​​de energia – Energia Eólica Fundações
  31. 31. 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
  32. 32. 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.
  33. 33. 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.
  34. 34. 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.
  35. 35. Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis ​​de energia – Energia Eólica Turbina eólica com transmissão
  36. 36. Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis ​​de energia – Energia Eólica Turbina eólica sem transmissão
  37. 37. Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis ​​de energia – Energia Eólica Do vento para a tomada!

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