Índice

Introdução……………………………………………………………. pág. 2

Turbinas……………………………………………………………… pág. 3

Componentes de uma turbina eólica de eixo Horizontal…………….. pág. 6

Mecanismos de controlo……………………………………………... pág. 9

Aerogeradores………………………………………………......……pág. 10

Conversor AC/DC………………………………………………….. pág. 13

Qualidade da energia……………………………………………….. pág. 19

Aplicações dos Sistemas Eólicos………………………...…………. pág. 20

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1. Introdução

Acredita-se que foram os egípcios os primeiros a fazer uso prático do vento, em

torno do ano 2800 A.C, começaram a usar velas para ajudar a força dos remos dos

escravos. Eventualmente, as velas ajudavam o trabalho da força animal em tarefas como

moagem de grãos e bombeamento de água.

A energia eólica tem sido aproveitada pelo ser humano desde a antiguidade,

tanto para mover barcos, como para fazer funcionar engrenagens de moinhos. Nos dias

de hoje e devido cada vez mais à escassez dos recursos naturais, é utilizada como fonte

de energia eléctrica limpa e renovável. De facto, o crescimento da indústria ligada a esta

forma de energia tem sido, em alguns países, equiparável ao de tecnologias de tão

grande expansão como, por exemplo, os telefones móveis.

Na produção de energia eólica a energia passa por dois processos de conversão:

Rectificação de corrente alternada para corrente contínua, com a

finalidade de obter um armazenamento fácil, livre de efeitos indesejados

tais como harmónicas e outros efeitos parasitas.

Inversão de corrente contínua para corrente alternada, com o objectivo de

ajustar a frequência e as amplitudes de tensão, às impostas pela rede ou

pelo transporte.

Para entendermos melhor o nosso objecto de estudo, que é o funcionamento de

um rectificador de corrente alternada para corrente continua (A.C/D.C), procurámos

estudar o princípio básico de funcionamento de uma central eólica e algumas das suas

características.

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2. Turbinas

2.1 Rotores de Eixo Vertical

Em geral, os rotores de eixo vertical têm a vantagem de não necessitarem de

mecanismos de acompanhamento para variações da direcção do vento, o que reduz a

complexidade do projecto. Estes rotores também podem ser movidos por forças de

sustentação (lift) e por forças de arrasto (drag). Os principais tipos de rotores de eixo

vertical são Darrieus, Savonius e turbinas com torre de vórtices. Os rotores do tipo

Darrieus são movidos por forças de sustentação e constituem-se de lâminas curvas

(duas ou três) de perfil aerodinâmico, atadas pelas duas pontas ao eixo vertical.

Figura 1 - Turbina experimental de eixo vertical (SANDIA, 2006)

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2.2 Rotores de Eixo Horizontal

Os rotores de eixo horizontal são os mais comuns e grande parte da experiência

mundial está voltada para a sua utilização. São movidos por forças aerodinâmicas

chamadas de forças de sustentação (lift) e forças de arrasto (drag). Um corpo que

obstrui o movimento do vento sofre a acção de forças que actuam perpendicularmente

ao escoamento (forças de sustentação) e de forças que actuam na direcção do

escoamento (forças de arrasto). Ambas. Adicionalmente as forças de sustentação

dependem da geometria do corpo e do ângulo de ataque (formado entre a velocidade

relativa do vento e o eixo do corpo, ângulo de passo).

Os rotores que giram predominantemente sob o efeito de forças de sustentação

permitem, liberar muito mais potência do que aqueles que giram sob efeito de forças de

arrasto, para uma mesma velocidade de vento.

Os rotores de eixo horizontal ao longo do vento (aerogeradores convencionais)

são, predominantemente movidos por forças de sustentação e devem possuir

mecanismos capazes de permitir que o disco varrido pelas pás, esteja sempre em

posição perpendicular ao vento. Tais rotores podem ser constituídos de uma pá e

contrapeso, duas pás, três pás ou múltiplas pás (multivane fans). Construtivamente, as

pás podem ter as mais variadas formas e empregar os mais variados materiais. Em geral,

utilizam-se pás rígidas de madeira, alumínio ou fibra de vidro reforçada.

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Figura 2 - Turbina de eixo horizontal

Quanto à posição do rotor em relação à torre, o disco varrido pelas pás pode

estar a jusante do vento (down wind) ou a montante do vento (up wind). No primeiro

caso, a “sombra” da torre provoca vibrações nas pás. No segundo caso, a “sombra” das

pás provoca esforços vibratórios na torre. Sistemas a montante do vento necessitam de

mecanismos de orientação do rotor com o fluxo de vento, enquanto nos sistemas a

jusante do vento, a orientação realiza-se automaticamente.

Os rotores mais utilizados para geração de energia eléctrica são os de eixo

horizontal do tipo hélice, normalmente compostos de 3 pás ou em alguns casos

(velocidades médias muito altas e possibilidade de geração de maior ruído acústico) 1

ou 2 pás.

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3.Componentes de uma turbina eólica de eixo Horizontal

Neste caso vamos aprofundar o assunto numa turbina eólica de eixo horizontal,

as mais comuns. Na imagem da figura 3) podemos verificar que existem vários tipos de

turbinas eólicas que são diferenciadas pelo seu tamanho e formato da nacele ou do rotor.

As componentes de uma turbina eólica são inúmeras e complexas, por isso

vamos explicar apenas as principais de modo a que possamos entender para que serve o

conversor AC/DC.

3.1 As componentes da turbina podem ser divididas em três fases:

3.1.1 Pás, cubos e eixo

As pás são responsáveis por converter a energia cinética (do vento) em trabalho

mecânico, estas têm perfis aerodinâmicos de modo a rentabilizar ao máximo o seu

esforço, e a sua posição em relação ao eixo pode ou não ser controlada.

O cubo por sua vez suporta toda a estrutura das pás através de rolamentos de

fixação, este deve ser uma peça única e de grande robustez e elevada resistência dado

que também tem de acomodar os mecanismos e motores para o ajuste dos ângulos das

pás entre outros. Figura 5)

Figura 3)

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O eixo é responsável por um acoplamento do cubo ao gerador fazendo a

transferência da energia, é constituído por matérias de elevada resistência.

3.1.2 Nacele

É a carcaça montada sobre a torre, no seu interior estão situados todos os

componentes tais como, gerador, sistema de engrenagens, todo o sistema de controle,

etc. Podemos ver melhor na figura 3).

3.1.3 Transmissão e Caixa Multiplicadora

A transmissão engloba a caixa multiplicadora e tem como objectivo transmitir a

energia mecânica até à carga. Esta caixa de transmissão deve ser colocada entre o rotor

e o gerador de modo a adaptar a baixa velocidade do rotor à velocidade de rotação mais

elevada do gerador. Figura 4)

O gerador ou aerogerador, é o componente principal na turbina eólica a

finalidade deste é transformar a energia mecânica de rotação em energia eléctrica.

Figura 6)

Mas a integração dos geradores na energia eólica torna se um problema quando

existem vários factores que devemos ter em conta tais como:

Variações na velocidade do vento.

Variações no binário de entrada (uma vez que as variações de velocidade

induzem variações de potencia no eixo).

A exigência de frequência e tensão constantes na energia final produzida

para a rede.

E de fácil manutenção e instalação, devido as zonas isoladas e de difícil acesso

onde se encontram estas turbinas torna se necessário simplificar o nosso gerador.

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Figura 4). Mostra um gerador e a caixa de transmissão

Gerador Caixa de

Transmissão

Figura 5). O cubo na turbina

eólica

Figura 6). Aerogerador

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4. Mecanismos de controlo

Os mecanismos de controlo destinam-se á orientação do rotor, ao

controlo da velocidade, ao controlo da carga, etc. Nos aerogeradores mais

recentes podem ser utilizados um dos dois tipos de controlo aerodinâmico, o de

Stall control e o Pitch control.

O objectivo do controlo de velocidade é de fornecer mais ou menos

potencia á carga, em geradores assíncronos mesmo depois de ser feito este tipo

de controle a energia eléctrica segue com uma sequencia de harmónicas e efeitos

indesejados que precisam de ser tratados como vamos ver mais à frente.

4.1 Stall controlled

É um sistema passivo que reage á velocidade do vento, isto significa as

pás são fixas com um determinado ângulo de passo e não podem girar em torno

do eixo. É calculado um determinado ângulo em que quando as velocidades do

vento são superiores aos nominais existe um escoamento ou fluxo de ar em torno

das pás. Assim deste modo é controlado o aumento de potência do motor. Este

sistema têm as seguintes vantagens:

A não existência do controlo de passo, que torna toda a estrutura mais

simples e de fácil manutenção.

Auto-confiabilidade do controle de potência.

4.2 Pitch controlled

É um sistema activo que ao contrário do sistema Stall control necessita

de informação vinda do controlador do sistema. Sempre que a potência

nominal do gerador é ultrapassada devido ao aumento da velocidade do

vento, as pás do rotor giram em torno do eixo de modo a mudarem o seu

ângulo de passo com a finalidade de reduzirem as forças que produzem o

movimento das pás.

Figura 6).Exemplo do fluxo de

ar numa pá da turbina.

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5. Aerogeradores

Os aerogeradores podem ser síncronos ou assíncronos de velocidade constante

ou variável, a utilização do tipo de rectificador/inversor depende do tipo de aerogerador.

Para isso vamos ver os dois aerogeradores e aprofundar mais a o gerador assíncrono de

velocidade variável já que é este que utiliza o rectificador (AC/DC).

5.1 Aerogeradores Assíncronos de Velocidade variável

Figura 7). Neste caso podemos ver um esquema de um gerador assíncrono de

velocidade variável em que é utilizado um rectificador (AC/DC, o estudado) e

posteriormente um inversor (DC/AC).

Figura 8). Nesta figura podemos ver que existe apenas um conversor AC/AC. A

energia não chega a ser transformada em contínua e é injectada na rede em AC.

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Figura 9). Esquema eléctrico de um gerador com velocidade variável que usa um

conversor de frequência (DEWI, 2005)

A ligação ao sistema eléctrico é feita por meio de um conversor de frequência

electrónica, formado por um conjunto rectificador/inversor. A tensão produzida pelo

gerador síncrono é rectificada e a corrente contínua resultante é invertida, como controle

da frequência de saída sendo feito electronicamente através de tirístores. Como a

frequência produzida pelo gerador depende de sua rotação, esta será variável em função

da variação da rotação da turbina eólica. Entretanto, por meio do conversor, a

frequência da energia eléctrica fornecida pelo aerogerador será constante e sincronizada

com o sistema eléctrico.

Quando são utilizados geradores assíncronos, ou de indução, é necessário

fornecer energia reactiva para a excitação do gerador, que pode ser feita por auto-

excitação usando-se condensadores adequadamente dimensionados, de forma similar ao

caso do aerogerador com velocidade constante. Neste caso, deve-se ter em atenção que

os condensadores sejam ligados antes do rectificador, uma vez que o conversor de

frequência faz o isolamento galvânico do sistema, não permitindo a absorção de energia

reactiva externa, seja do sistema eléctrico ou de condensadores.

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Outra alternativa é o uso de geradores assíncronos duplamente alimentado, isto

é, com dois enrolamentos que apresentam velocidades síncronas diferentes. O uso de

enrolamento rotórico associado a uma resistência variável, em série, permite o controlo

da velocidade do gerador pela variação do escorregamento, mantendo a frequência

eléctrica do gerador no valor definido pelo sistema eléctrico ao qual o aerogerador está

conectado.

A ideia básica do aerogerador com velocidade variável é o desacoplamento da

velocidade de rotação e, consequentemente, do rotor da turbina, da frequência eléctrica

da rede. O rotor pode funcionar com velocidade variável ajustada à situação real da

velocidade do vento, garantindo um desempenho aerodinâmico maximizado. Uma

vantagem é a redução das flutuações de carga mecânica. As desvantagens são os altos

esforços de construção e a geração de harmónicas, associadas ao conversor de

frequência, que podem ser reduzidas significativamente com o custo de filtros que, por

sua vez, aumentam os custos.

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6. Conversor AC/DC

6.1 Ligação indirecta á rede eléctrica.

Nos Sistemas com ligação indirecta à rede a turbina pode funcionar com

velocidade variável produzindo corrente alternada com frequência variável.

Para estabelecer a ligação á rede são necessários sistemas de conversão de Potência

AC/DC e DC/AC.

Para além de permitirem o funcionamento da turbina a velocidades variáveis a

introdução da Electrónica de Potência permite o controlo da potência reactiva de modo

a melhorar a qualidade da energia na rede eléctrica.

Neste caso o conversor Electrónico de Potência é constituído por um rectificador

AC/DC seguido de um Inversor DC/AC, de modo a transmitir á rede uma tensão com

fase e frequência controlada.

6.2 Escolha do tipo de conversor a utilizar.

Um Rendimento elevado dos conversores reduz os custos de energia e reduz a

quantidade de calor a dissipar no conversor.

Para minimizar as perdas os elementos que constituem o conversor devem ser

exclusivamente os seguintes,

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Interruptores - Os interruptores são operados ciclicamente e servem para modificar as

interconexões do circuito. O interruptor ideal tem tensão nula quando está ON e

corrente nula quando está OFF.

Condensadores e Indutores - Os condensadores e indutores servem para realizar acções

de filtragem, regularizando o fluxo de potência, armazenando e fornecendo energia.

Transformadores - Os transformadores escalam as correntes e tensões. Adicionalmente

fornecem isolamento galvânico entre a fonte e a carga.

Escolha do Interruptor

Díodo - está no extremo inferior uma vez que não pode ser controlado. Os estados ON e

OFF dependem apenas da polaridade da tensão e da corrente aos terminais do díodo.

SCR e TRIAC - O desligar (OFF) acontece de modo não controlado como no díodo mas

o activar (ON) é comandado sob condições apropriadas do circuito e de uma acção de

controlo.

BJT, IGBT, MOSFET e GTO - ambas as comutações de estado são comandadas por

uma acção de controlo, novamente, sob condições apropriadas do circuito.

Escolha da frequência de comutação

Uma frequência de comutação superior implica o conversor de menor dimensão porque

é possível usar condensadores, indutores e transformadores menores para cumprir as

características do circuito.

Uma frequência de comutação superior implica, no entanto, um aumento das perdas

uma vez que o número de transições de estado por unidade de tempo aumenta.

Adicionalmente, os componentes tendem a aumentar as perdas a altas frequências assim

como as limitações do seu funcionamento. Como exemplo as capacidades parasitas nos

BJT.

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6.3 Exemplos de rectificadores AC/DC utilizados.

O principal problema dos aerogeradores com velocidade variável, principalmente para

baixas velocidades do vento, é o pouco rendimento que podemos retirar do gerador

devido á sua baixa potência em velocidades baixas. Tornando assim o sistema gerador

conversor pouco eficiente. O gráfico seguinte mostra esse mesmo efeito.

Eficiência versus potência do aerogerador.

Como se pode ver é o rectificador que tem mais peso no baixo rendimento do sistema,

Tornando-se deste modo o conversor AC/DC um órgão de dimensionamento muito

cuidado.

Não existindo uma escolha ideal para o rectificador AC/DC a utilizar na zona de maior

rendimento do gerador, podemos afirmar que qualquer rectificador de alta potência

convencional pode ser utilizado com rendimentos aceitáveis nessa zona. O problema

reside sim quando o vento abranda.

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6.3.1 Rectificador de controlo de fase.

Desenhado para ser eficiente e barato, no entanto apresenta grandes perdas no gerador.

Utilizado quando o aerogerador permanece numa ligação em triângulo.

Rectificador AC/DC controle de fase.

Trata-se de um Rectificador simples composto por 6 tíristores e um díodo de roda livre,

que permite uma nova malha impedindo assim correntes negativas DC.

Tem como vantagem que a energia não se desloca da zona DC para o gerador.

Como desvantagens: O gerador opera com cargas não simétricas, especialmente a

baixas velocidades. A corrente de fase é composta por altas harmónicas que aumentam

as perdas diminuindo assim o rendimento do conversor.

Posteriormente para controlar a corrente DC utiliza-se um conversor DC/DC Booster.

Conversor DC/DC Booster.

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6.3.2. Rectificador AC/DC Boost

Também um tipo de rectificador utilizado, de simples implementação e barato é o

AC/DC Boost. Também este e tal como o anterior pode ser utilizado para transmissão

de potência á rede, no entanto também apresenta pouca eficiência para baixo

rendimento do gerador (baixas velocidades).

Rectificador AC/DC Boost

O andar seguinte, destinado a manter a tensão constante pode ser do seguinte tipo.

Conversor DC/DC.

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6.3.3 PWM AC/DC Booster reconfiguravel.

Por ultimo apresenta-se um tipo de rectificador mais complexo que os anteriores mas

que aumenta a sua eficiência, em comparação aos outros casos apresentados,

nomeadamente para rotações baixas do aerogerador.

Rectificador AC/DC PWM.

Neste caso pode-se acompanhar a tensão variável de entrada, através do comando do

rectificador, com o envio da modulação.

Pode-se ainda tornar este tipo de rectificador ainda mais eficiente com uma modulação

de três níveis. Onde finalmente conseguimos aumentar a eficiência do conversor para

baixas tensões de entrada (pouca potência do gerado, menor rendimento).

Modulação de dois níveis versus 3 níveis.

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7. Qualidade da energia

A qualidade de energia no contexto da geração eólica, descreve o desempenho

eléctrico do sistema de geração de electricidade da turbina eólica onde qualquer

perturbação sobre a rede eléctrica, deve ser mantida dentro de limites técnicos ao nível

de exigência imposto pelo gerente de operações da rede. Para a maior parte das

aplicações de unidades eólicas, a rede pode ser considerada como um componente capaz

de absorver toda a potência gerada por estas unidades com tensão e frequência

constantes. No caso, por exemplo de sistemas isolados de pequeno porte, pode ser

encontradas situações onde a potência eléctrica fornecida pela turbina eólica alcance

valores compatíveis com a capacidade da rede. Problemas também podem ocorrer onde

a rede é fraca1, onde, neste caso a qualidade da energia deve ser uma das principais

questões a serem observadas sobre a utilização de turbinas eólicas (tamanho, tipo de

controle, etc.)

A tabela seguinte descreve os principais distúrbios causados por turbinas eólicas

na rede eléctrica e as respectivas causas que podem ser resumidas em condições

meteorológicas, do terreno, e especificamente sobre as características eléctricas,

Distúrbios Causa

Elevação/queda de tensão Valor médio da potência entregue

Flutuações de tensão

Efeito de sombreamento da torre

Erro de passe da pá

Erro de mudança de direcção

Distribuição vertical do vento

Flutuações na velocidade do vento

Intensidade de turbulências

Harmónicas

Conversores de potência

Condensadores

Controladores com tiristores

Consumo de potência reactiva Componentes indutivos ou sistemas de

geração

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É importante observar quando um determinado número de máquinas eólicas são

conectadas num parque, o nível de potência entregue por unidade pode variar, devido a

localização das máquinas no parque e ao efeito de “sombra” causado pelas turbinas a

montante àquelas que se encontrarem em fileiras mais afastadas em relação a direcção

do vento predominante.

O tipo de gerador utilizado (síncrono ou assíncrono) produz diferentes níveis de

flutuação nas variáveis eléctricas de saída. Isto pode ser verificado particularmente para

as unidades de grande porte, com potência superiores a 1 MW, visto que as de pequeno

e médio porte podem influenciar a rede apenas quando estão conectadas em grande

número. Devido aos baixos valores de escorregamento, geradores assíncronos

conectados directamente na rede eléctrica operando com velocidade quase constante

geram flutuações mais significativas do que geradores síncronos em velocidade

variável, conectados à rede via unidade rectificadora/inversora.

No caso específico de distribuições de harmónicas, considerado como um grave

problema para a manutenção da qualidade de energia, a principal fonte de harmónicas

são os conversores de frequência empregados para conectar os geradores eólicos à rede

eléctrica. Assim, os geradores eólicos assíncronos ou síncronos ligados directamente à

rede eléctrica não necessitam de maiores atenções neste aspecto.

8. Aplicações dos Sistemas Eólicos

Um sistema eólico pode ser utilizado em três aplicações distintas: sistemas

isolados, sistemas híbridos e sistemas interligados à rede. Os sistemas obedecem a uma

configuração básica, necessitam de uma unidade de controlo de potência e, em

determinados casos, de uma unidade de armazenamento. No âmbito do tema deste

trabalho, olharemos apenas para os sistemas de Grande Porte, interligados à rede e para

os sistemas Off-Shore.

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Pequeno Porte (≤ 10 kW) Intermediário (10-250 kW) Grande Porte (250kW-2MW)

8.1 Sistemas Interligados à Rede

Os sistemas interligados à rede utilizam um grande número de aerogeradores e não

necessitam de sistemas de armazenamento de energia pois toda a geração é entregue

directamente à rede eléctrica. O total de potência instalada no mundo de sistemas

eólicos interligados à rede soma aproximadamente 60 GW (WWEA, 2006) dos quais

75% estão instalados na Europa.

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8.1.1 Sistemas Off-shore

As instalações Off-shore representam a nova fronteira da utilização da energia

eólica. Embora representem instalações de maior custo de transporte, instalação e

manutenção, as instalações Off-shore têm crescido a cada ano principalmente com o

esgotamento de áreas de grande potencial eólico em terra. Este esgotamento é

apresentado principalmente pela grande concentração de parques eólicos nestas áreas e

pelas restrições ambientais rigorosas sobre a utilização do solo.

A indústria eólica tem investido no desenvolvimento tecnológico na adaptação

das turbinas eólicas convencionais para uso no mar. Além do desenvolvimento

tecnológico, os projectos Off-shore necessitam de estratégias especiais quanto ao tipo de

transporte das máquinas, respectiva instalação e operação. Todo o projecto deve ser

coordenado de forma a utilizarem os períodos onde as condições marítimas propiciem

um deslocamento e uma instalação com segurança.

Figura - Parque eólico instalado no mar do norte (Fonte: BRITSC, 2005)

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Conclusão

Concluímos que a produção de Energia Eléctrica nas Centrais

Eólicas pode passar por dois ou mais processos de conversão.

No caso dos Geradores Assíncronos podemos utilizar o esquema

Rectificador/Inversor ou apenas um conversor (AC/AC). A aplicação

destes esquemas depende do tipo de Gerador.

Os geradores aplicados para este esquema podem ser o anteriormente

referido (Assíncrono) ou Síncronos, de velocidade variável ou constante.

Á saída do gerador, a energia eléctrica sai com efeitos indesejados,

tais como harmónicas na frequência e na tensão. Estes efeitos devem ser

tratados para que posteriormente possam ser injectados na rede.