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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
PEA 2200
Energia, Meio Ambiente e Sustentabilidade
Aula 9 – Fontes Renováveis de Energia
Energia Eólica
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Produção de Energia Elétrica – Geração Eólica
Parque Eólico Osório – Osório/RS Foto: Carlos Vieira
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Detalhes de um aerogerador de eixo horizontal
Pára-raios
Anemômetro-
direção
Tomada de ar
Motor de orientação
Sistema de refrigeração
Luminária
Painel de controle
Gerador Acoplamento
Multiplicador
Sistema de
freio
Dissipador
Cobertura
G. de serviço
Eixo principal
Acoplamento
do Eixo
principal
Mancal
Pás de rotor
Eixo do rotor com mecanismo de
controle do ângulo das pás
Carenagem
Torre
Conexão à
rede
Sistema de
orientação
Gerador
Freio do
rotor
Caixa de multiplicação
Caixa de interruptores
elétricos e de controle
Seção de uma turbina eólica típica conectada à rede.
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
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PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Tamanho Potência Instalada
Pequeno Até 80 kW
Médio De 81 a 500 kW
Grande > 500 kW
Classificação dos Aerogeradores
50 kW
400 W
3 kW
10 kW
10 kW
50 kW
400 W
3 kW
10 kW
10 kW
10 kW
10 kW
Pequeno
porte Grande
porte
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Aplicações
• Alimentação de cargas isoladas
• Centrais de grande porte conectadas à rede
instaladas em terra
• Centrais de grande porte conectadas à rede
instaladas no mar
50 kW
400 W
3 kW
10 kW
10 kW
50 kW
400 W
3 kW
10 kW
10 kW
10 kW
10 kW
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Características da tecnologia eólica
• Tecnologia altamente sofisticada
• Grandes desenvolvimentos na área de controle,
aerodinâmica e materiais
• Alto crescimento no tamanho das pás e potência da turbina
• Materiais mais resistentes e menos ruidosos
• Aplicações em terra e no mar
• Significativa redução nos custos com políticas de incentivo
• Mais de oito fábricas instaladas no Brasil nos últimos 04 anos
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Fundamentos: Potência Eólica
3
2
1
Av
E 
 Joules/s = Watts
Potência por unidade de área:
3
2
1
V
A
P


  Watts / m2
2
4
D
A

 D = diâmetro do rotor
POTÊNCIA EÓLICA(Pv):
Potência mecânica = Cp
Av
Pm 3
2
1




 m
P
Pel
Potência Elétrica =
 = eficiência dos diversos componentes do sistema
ρ = Densidade do ar (1.225kg/m3)
Cp = Coeficiente de Potência
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Curva da potência do vento em função da velocidade
3
2
1
v
A
P 


 
 = 1,2256 kg/m3
V = 8m/s P = 314W / m2
V = 16 m/s P= 2509 W / m2
8 vezes mais potência
Potência por unidade de área = Densidade de potência – Watts/m2
3
2
1
V
A
P


 
(Watts) (Watts/m2)
314Watts = 5 lâmpadas de 60 Watts
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Eficiência de Aerogeradores
Energia
Cinética
Rotor
45%-52%
(max. é 59.3%, Betz limit)
Energia
Mecânica
Energia
Elétrica
Caixa de
Engrenagens
95%–97%
Gerador +
Conversor
90%–95%
40%–48% eficiência total hoje
67%-81% do máximo teórico (Betz limit)
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Evolução Comercial das Turbinas de Grande Porte
Fonte: DEWI
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
V - velocidade na altura desejada
Vo - velocidade na altura conhecida
H - altura desejada
Ho - altura conhecida
n - fator de rugosidade do terreno
 
V V H H
o o
n
 /
Distribuição da velocidade do vento com a altura
Lei da potência
Descrição do terreno n
Terreno sem vegetação 0,10
Terreno gramado 0,12
Terreno cultivado 0,19
Terreno com poucas árvores 0,23
Terreno com : muitas árvores, cerca
viva ou poucas edificações
0,26
Florestas 0,28
Zonas urbanas sem edificações altas 0,32
CAMADA LIMITE
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Velocidade Média Anual – Atlas do Potencial Eólico Brasileiro
Fonte: Dutra, 2001
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Curva de potência de uma turbina eólica
Ve – Velocidade a partir da qual a
turbina começa produzir energia
Vn – Velocidade do vento em que a
turbina atinge a sua potência nominal
Vc – velocidade do vento a partir da qual
a turbina é desligada para evitar
problemas estruturais

 



 3
2
1
v
A
Pe
A potência elétrica gerada é:
Na prática, a potência “Pe” fornecida por uma turbina eólica em função da
velocidade do vento é determinada pela curva de potência da turbina
A curva de potência ilustra três importantes velocidades características:
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Fator de capacidade
horas
Pn
ano
Eg
FC
8760
)
(


O FC representa um importante critério de decisão de escolha
da viabilidade técnica e econômica da usina. É um indicador
da produção energética e conseqüentemente do potencial de
instalação de turbinas eólicas em um local. Diferentes locais
(estações) usando o mesmo modelo de turbina apresenta
diferentes fatores de capacidade, função da velocidade média
dos ventos.
Valores típicos para locais que possuem um bom regime de
vento: 35%< FC < 45%
slide 16 / 21
26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
ENERGIA GERADA PELO PARQUE
Produção de energia bruta: considera apenas as perdas por
interferência das esteiras entre rotores das turbinas.
Produção líquida :
Devem ser incluídas :
•Perdas elétricas: circuito
interno + transmissão até o
ponto de entrega
• Consumo próprio
• Perdas por indisponibilidade
do sistema elétrico e dos
aerogeradores (indisponibilidade
forçada e programada)
5 D
10 D
D = Diâmetro do rotor (m)
Avaliação do efeito esteira provocado por turbinas eólicas adjacentes – Norma IEC 61400. Convém salientar que no
caso de um espaçamento entre turbinas inferior a 3 diâmetros, o projeto deve ser melhor avaliado de acordo com a norma..
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Energia anual gerada por uma turbina
ano
FD
FC
Pn
ano
EG /
8760
)
( 



Energia anual gerada por uma central eólica

 n
central EG
ano
EG )
(
)
1
(
)
(
)
( 1
perdas
ano
EG
ano
EG
nT
n
central 

 
Perdas na central
Energia gerada por
cada turbina
nT = número de turbinas
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Capacidade Instalada 1996-2012 – Mundo (GWEC GW 2012 R)
Fonte: GWEC
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Capacidade Instalada 2005-2012 – Por Região (GWEC GW 2012 R)
Fonte: GWEC
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Crescimento da Capacidade – Mundo (GWEC GW 2012 R)
Fonte: GWEC
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26/09/2022
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Usinas Eólicas e Respectivas Potências Fiscalizadas (15 maiores)
Fonte: BIG/ANEEL - 2014
Total = 111 usinas com potência total = 2.272 MW
Usina Potência (kW) Município
Praia Formosa 105.000 Camocim - CE
Alegria II 100.650 Guamaré - RN
Parque Eólico Elebrás Cidreira 1 70.000 Tramandaí - RS
Canoa Quebrada 57.000 Aracati - CE
Eólica Icaraizinho 54.600 Amontada - CE
Alegria I 51.000 Guamaré - RN
Parque Eólico de Osório 50.000 Osório - RS
Parque Eólico Sangradouro 50.000 Osório - RS
Parque Eólico dos Índios 50.000 Osório - RS
Bons Ventos 50.000 Aracati - CE
RN 15 - Rio do Fogo 49.300 Rio do Fogo - RN
Volta do Rio 42.000 Acaraú - CE
Dunas de Paracuru 42.000 Paracuru - CE
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26/09/2022
PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
Millenium – Paraíba – 10,4 MW
Rio do Fogo – RGN – 49,3 MW
Osório – Rio Grande do Sul - 50 MW
Algumas
centrais em
operação

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  • 2. slide 2 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Produção de Energia Elétrica – Geração Eólica Parque Eólico Osório – Osório/RS Foto: Carlos Vieira
  • 3. slide 3 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Detalhes de um aerogerador de eixo horizontal Pára-raios Anemômetro- direção Tomada de ar Motor de orientação Sistema de refrigeração Luminária Painel de controle Gerador Acoplamento Multiplicador Sistema de freio Dissipador Cobertura G. de serviço Eixo principal Acoplamento do Eixo principal Mancal Pás de rotor Eixo do rotor com mecanismo de controle do ângulo das pás Carenagem Torre Conexão à rede Sistema de orientação Gerador Freio do rotor Caixa de multiplicação Caixa de interruptores elétricos e de controle Seção de uma turbina eólica típica conectada à rede.
  • 4. slide 4 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia
  • 5. slide 5 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Tamanho Potência Instalada Pequeno Até 80 kW Médio De 81 a 500 kW Grande > 500 kW Classificação dos Aerogeradores 50 kW 400 W 3 kW 10 kW 10 kW 50 kW 400 W 3 kW 10 kW 10 kW 10 kW 10 kW Pequeno porte Grande porte
  • 6. slide 6 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Aplicações • Alimentação de cargas isoladas • Centrais de grande porte conectadas à rede instaladas em terra • Centrais de grande porte conectadas à rede instaladas no mar 50 kW 400 W 3 kW 10 kW 10 kW 50 kW 400 W 3 kW 10 kW 10 kW 10 kW 10 kW
  • 7. slide 7 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Características da tecnologia eólica • Tecnologia altamente sofisticada • Grandes desenvolvimentos na área de controle, aerodinâmica e materiais • Alto crescimento no tamanho das pás e potência da turbina • Materiais mais resistentes e menos ruidosos • Aplicações em terra e no mar • Significativa redução nos custos com políticas de incentivo • Mais de oito fábricas instaladas no Brasil nos últimos 04 anos
  • 8. slide 8 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Fundamentos: Potência Eólica 3 2 1 Av E   Joules/s = Watts Potência por unidade de área: 3 2 1 V A P     Watts / m2 2 4 D A   D = diâmetro do rotor POTÊNCIA EÓLICA(Pv): Potência mecânica = Cp Av Pm 3 2 1      m P Pel Potência Elétrica =  = eficiência dos diversos componentes do sistema ρ = Densidade do ar (1.225kg/m3) Cp = Coeficiente de Potência
  • 9. slide 9 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Curva da potência do vento em função da velocidade 3 2 1 v A P       = 1,2256 kg/m3 V = 8m/s P = 314W / m2 V = 16 m/s P= 2509 W / m2 8 vezes mais potência Potência por unidade de área = Densidade de potência – Watts/m2 3 2 1 V A P     (Watts) (Watts/m2) 314Watts = 5 lâmpadas de 60 Watts
  • 10. slide 10 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Eficiência de Aerogeradores Energia Cinética Rotor 45%-52% (max. é 59.3%, Betz limit) Energia Mecânica Energia Elétrica Caixa de Engrenagens 95%–97% Gerador + Conversor 90%–95% 40%–48% eficiência total hoje 67%-81% do máximo teórico (Betz limit)
  • 11. slide 11 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Evolução Comercial das Turbinas de Grande Porte Fonte: DEWI
  • 12. slide 12 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia V - velocidade na altura desejada Vo - velocidade na altura conhecida H - altura desejada Ho - altura conhecida n - fator de rugosidade do terreno   V V H H o o n  / Distribuição da velocidade do vento com a altura Lei da potência Descrição do terreno n Terreno sem vegetação 0,10 Terreno gramado 0,12 Terreno cultivado 0,19 Terreno com poucas árvores 0,23 Terreno com : muitas árvores, cerca viva ou poucas edificações 0,26 Florestas 0,28 Zonas urbanas sem edificações altas 0,32 CAMADA LIMITE
  • 13. slide 13 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Velocidade Média Anual – Atlas do Potencial Eólico Brasileiro Fonte: Dutra, 2001
  • 14. slide 14 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Curva de potência de uma turbina eólica Ve – Velocidade a partir da qual a turbina começa produzir energia Vn – Velocidade do vento em que a turbina atinge a sua potência nominal Vc – velocidade do vento a partir da qual a turbina é desligada para evitar problemas estruturais        3 2 1 v A Pe A potência elétrica gerada é: Na prática, a potência “Pe” fornecida por uma turbina eólica em função da velocidade do vento é determinada pela curva de potência da turbina A curva de potência ilustra três importantes velocidades características:
  • 15. slide 15 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Fator de capacidade horas Pn ano Eg FC 8760 ) (   O FC representa um importante critério de decisão de escolha da viabilidade técnica e econômica da usina. É um indicador da produção energética e conseqüentemente do potencial de instalação de turbinas eólicas em um local. Diferentes locais (estações) usando o mesmo modelo de turbina apresenta diferentes fatores de capacidade, função da velocidade média dos ventos. Valores típicos para locais que possuem um bom regime de vento: 35%< FC < 45%
  • 16. slide 16 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia ENERGIA GERADA PELO PARQUE Produção de energia bruta: considera apenas as perdas por interferência das esteiras entre rotores das turbinas. Produção líquida : Devem ser incluídas : •Perdas elétricas: circuito interno + transmissão até o ponto de entrega • Consumo próprio • Perdas por indisponibilidade do sistema elétrico e dos aerogeradores (indisponibilidade forçada e programada) 5 D 10 D D = Diâmetro do rotor (m) Avaliação do efeito esteira provocado por turbinas eólicas adjacentes – Norma IEC 61400. Convém salientar que no caso de um espaçamento entre turbinas inferior a 3 diâmetros, o projeto deve ser melhor avaliado de acordo com a norma..
  • 17. slide 17 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Energia anual gerada por uma turbina ano FD FC Pn ano EG / 8760 ) (     Energia anual gerada por uma central eólica   n central EG ano EG ) ( ) 1 ( ) ( ) ( 1 perdas ano EG ano EG nT n central     Perdas na central Energia gerada por cada turbina nT = número de turbinas
  • 18. slide 18 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Capacidade Instalada 1996-2012 – Mundo (GWEC GW 2012 R) Fonte: GWEC
  • 19. slide 19 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Capacidade Instalada 2005-2012 – Por Região (GWEC GW 2012 R) Fonte: GWEC
  • 20. slide 20 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Crescimento da Capacidade – Mundo (GWEC GW 2012 R) Fonte: GWEC
  • 21. slide 21 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Usinas Eólicas e Respectivas Potências Fiscalizadas (15 maiores) Fonte: BIG/ANEEL - 2014 Total = 111 usinas com potência total = 2.272 MW Usina Potência (kW) Município Praia Formosa 105.000 Camocim - CE Alegria II 100.650 Guamaré - RN Parque Eólico Elebrás Cidreira 1 70.000 Tramandaí - RS Canoa Quebrada 57.000 Aracati - CE Eólica Icaraizinho 54.600 Amontada - CE Alegria I 51.000 Guamaré - RN Parque Eólico de Osório 50.000 Osório - RS Parque Eólico Sangradouro 50.000 Osório - RS Parque Eólico dos Índios 50.000 Osório - RS Bons Ventos 50.000 Aracati - CE RN 15 - Rio do Fogo 49.300 Rio do Fogo - RN Volta do Rio 42.000 Acaraú - CE Dunas de Paracuru 42.000 Paracuru - CE
  • 22. slide 22 / 21 26/09/2022 PEA2200 Aula 9: Fontes Renováveis de Energia Millenium – Paraíba – 10,4 MW Rio do Fogo – RGN – 49,3 MW Osório – Rio Grande do Sul - 50 MW Algumas centrais em operação