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![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)](https://image.slidesharecdn.com/energiaelica-151208161541-lva1-app6892/85/Energia-eolica-14-320.jpg)
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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](https://image.slidesharecdn.com/energiaelica-151208161541-lva1-app6892/85/Energia-eolica-15-320.jpg)
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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](https://image.slidesharecdn.com/energiaelica-151208161541-lva1-app6892/85/Energia-eolica-16-320.jpg)
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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](https://image.slidesharecdn.com/energiaelica-151208161541-lva1-app6892/85/Energia-eolica-22-320.jpg)
Energia eólica
- 1. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis de energia – Energia Eólica
- 3. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis de energia – Energia Eólica Efeito Esteira em Parque Eólico
- 14. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis de energia – Energia Eólica Infraestrutura
- 29. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis de energia – Energia Eólica Fundações
- 31. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode 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. Universidade do Estadode Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis de energia – Energia Eólica Turbina eólica com transmissão
- 36. Universidade do Estadode Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis de energia – Energia Eólica Turbina eólica sem transmissão
- 37. Universidade do Estadode Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão Fontes renováveis de energia – Energia Eólica Do vento para a tomada!