Geração e Distribuição de Energia

Geração e Distribuição de Energia

(Parte 4 de 5)

Diferenças de temperatura fazem com que o ar circule. As regiões em volta do equador, na latitude 0o, são mais atingidas pelo calor do sol do que o restante do globo. Se não houvesse a rotação da terra o ar simplesmente circularia na direção dos pólos a 10 Km de altitude, desceria e retornaria ao equador.

Uma vez que o globo está rodando, todo o movimento do hemisfério norte é dirigido para a direita, se observarmos este fenômeno em uma posição fixa olhando para o equador (no hemisfério sul ela tende para a esquerda). Essa força aparente de curvatura é conhecida como força de Coriolis (nome do matemático francês Gustave Gaspard Coriolis 1792 – 1843).

A força de Coriolis é um fenômeno visível. Por exemplo, os trilhos das estradas de ferro desgastam mais de um lado que do outro, os rios são mais profundos em uma margem que na outra (O lado depende de em qual hemisfério você está). Isto também funciona para os ventos. No hemisfério norte, por exemplo, o vento tende a rodar no sentido anti-horário, enquanto no hemisfério sul, é no sentido horário.

Estes dois fatores (as diferenças de temperatura e a força de Coriolis) aliados à geografia, que impõe obstáculos à passagem dos ventos e considera as costas dos continentes, definem o movimento dos ventos.

Uma turbina eólica obtém potência convertendo a força dos ventos em um torque atuando nas pás do rotor. A quantidade de energia que o vento transfere para o rotor depende da densidade do ar, da área do rotor, e da velocidade do vento.

Figura 2.6.1 – Um cilindro de ar de1500m2 e 1m de largura atravessa o rotor de uma turbina eólica.

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Módulo 4 – Geração de Energia

A figura mostra como uma fatia de ar de 1 metro de espessura se move através de um rotor de área de 1500m2 de uma típica turbina eólica de 600kW. Com 43m de diâmetro do rotor, cada cilindro de ar pesa 1,9 toneladas, isto é, 1500 vezes 1,25kg que é o peso de 1m3 de ar.

A energia cinética de um corpo em movimento é proporcional a sua massa. A energia cinética do vento também depende da densidade do ar, ou seja, de sua massa por unidade de volume. Em outras palavras, quanto mais pesado for o ar, mais energia é recebida pela turbina.

Sob pressão atmosférica normal e a 15oC a massa do ar é de 1,25 kg por metro cúbico, mas a densidade aumenta com o aumento da umidade. De forma análoga, quanto mais frio o ar, mais denso. Em altas altitudes (em montanhas por exemplo) a pressão do ar é menor e portanto a densidade é menor.

Uma turbina eólica típica de 600kW possui um rotor com 43 a 4 metros de diâmetro, o que significa que cobre uma área de 1500m2. A área do rotor determina quanta energia o rotor está apto a retirar do vento. Como a área do rotor aumenta com o quadrado do diâmetro, uma turbina que possua um rotor 2 vezes maior recebe 2 = 4 vezes mais energia.

Figura 2.6.2 – Visão geral de uma turbina eólica

A velocidade do vento é extremamente importante para a quantidade de energia que uma turbina pode converter para energia elétrica. A energia contida no vento varia com o cubo da velocidade média do vento. Por exemplo, se a velocidade do vento aumenta 2 vezes, a energia convertida aumenta 23 = 2 x 2 x 2 = 8 vezes. Mas por que a energia eólica varia com o cubo da velocidade média do vento? Observando o nosso dia-a-dia sabemos que se dobrarmos a

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Módulo 4 – Geração de Energia velocidade do carro, será necessário 4 vezes mais energia para movimentá-lo (essencialmente isto é conseqüência da Segunda lei de Newton para o movimento dos corpos). No caso da turbina eólica utiliza-se a energia de frenagem do vento, e se a velocidade do vento for o dobro, tem-se duas vezes mais volume de ar por segundo movendo-se através do rotor, e cada unidade de volume possui 4 vezes mais energia, como no exemplo do carro. O gráfico mostra que a uma velocidade de 8 m/s tem-se uma potência (quantidade de energia por segundo) de 314 Watts por metro quadrado exposto ao vento (o vento que chega perpendicular a área coberta pelo rotor). A 16 m/s tem-se 8 vezes mais potência, isto é, 2509 W/m2.

Figura 2.6.3 – Gráfico da potência por unidade de área em função da velocidade do vento.

A tabela mostra a potência por metro quadrado exposto ao vento para diferentes velocidades. m/s W/m m/s W/m m/s W/m

Tabela 2.6.1 – Valores discretos de potência por unidade de área.

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Para “captar” a energia cinética do vento e transferir para a flange do rotor transformando em energia cinética de rotação, as pás do rotor e são desenhadas conforme as asas de um avião. Ou seja, o desenho aerodinâmico cria regiões de diferentes pressões em torno das pás fazendo com que elas se movam. Em uma turbina de 600kW moderna, as pás do rotor medem cerca de 20 metros.

Figura 2.6.4 – Princípio de funcionamento da asa

O corpo da turbina eólica faz o encapsulamento dos componentes principais, incluindo o redutor e o gerador elétrico. O pessoal da manutenção pode entrar dentro do corpo a partir da torre da turbina quando houver necessidade. Em uma das extremidades do corpo fica o rotor, isto é, as pás interligadas pela flange, na outra o namômetro e o cata-vento.

Figura 2.6.5 – Corpo da turbina

À flange do rotor está ligado um eixo de baixa rotação que é acoplada a um ampliador.

Uma turbina de 600kW possui uma rotação relativamente baixa, cerca de 19 a 30 rpm. No eixo de baixa rotação estão localizadas bombas para o sistema hidráulico que opera o freio aerodinâmico como veremos mais adiante.

O ampliador é um dispositivo mecânico que transmite potência através de dois eixos girando em velocidades diferentes. Em uma turbina de 600kW, por exemplo, o ampliador transmite uma potência recebida da turbina através do eixo de baixa rotação a uma velocidade de 19 a 30 rpm para um gerador através do eixo de alta rotação a uma velocidade de aproximadamente 1500 rpm, isto é, 50 vezes mais rápido. Por causa das perdas em função do atrito mecânico das engrenagens, a temperatura do ampliador aumenta e um sistema de refrigeração a óleo é responsável pela manutenção da temperatura dentro de faixas aceitáveis.

O eixo de alta rotação interliga o ampliador e o gerador. Ele esta equipado com um freio a disco mecânico de emergência que é usado no caso do freio aerodinâmico falhar ou quando a turbina está em manutenção.

O gerador usado nas turbinas eólicas é um gerador de indução ou gerador assíncrono, que utiliza o mesmo princípio de funcionamento do motor assíncrono. Esta característica torna

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Módulo 4 – Geração de Energia os geradores de turbinas eólicas mais baratos e com um menor custo de manutenção. No entanto isso só é possível porque a potência máxima das turbinas eólicas fica compreendida em uma faixa que vai de 500 a 1500kW.

O controlador eletrônico é um computador que monitora continuamente as condições do vento na turbina e controla o mecanismo de direcionamento da turbina, que tem a função de manter a turbina sempre perpendicular à incidência do vento. No caso de algum defeito, como o sobreaquecimento do gerador ou do ampliador, o controlador comanda a parada da turbina e avisa o computador do operador via linha telefônica através de um modem.

O mecanismo de direcionamento utiliza um motor elétrico para virar o corpo da turbina de forma que ela fique totalmente contra o vento. Ele é operado por um controlador eletrônico que monitora a direção do vento utilizando o cata-vento.

O sistema hidráulico é utilizado para operar o freio aerodinâmico da turbina. Mudandose o angulo de ataque das pás, pode-se variar a velocidade da turbina. Desta forma o controlador atua no sistema hidráulico com o objetivo de manter a velocidade da turbina constante.

A unidade de refrigeração é responsável por manter a temperatura do gerador e do ampliador dentro de uma faixa aceitável para que não se diminua a vida útil destes equipamentos. Por isso o sistema de refrigeração possui um ventilador elétrico independente que tem a função de resfriar o gerador, bem como o óleo que é utilizado pelo ampliador.

Figura 2.6.6 – partes componentes da turbina

O papel da torre da turbina eólica é sustentar o corpo e o rotor da turbina. Geralmente é uma vantagem a utilização de torres altas uma vez que a velocidade do vento cresce conforme a distância do solo. Uma turbina de 600kW, hoje, fica suspensa a uma altura que varia entre 40 e 60 metros, o que corresponde aproximadamente a uma altura de um prédio de 13 a 20 andares. As torres podem ser tubulares (como mostrado na figura) ou em treliça. Torres tubulares são mais seguras para as pessoas que trabalham na manutenção, uma vez que é utilizado o interior da torre para se alcançar o topo. A vantagem da torre em treliça é que ela é bem mais barata.

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O anemômetro é usado para medir a velocidade enquanto o cata-vento mede a direção do vento. Os sinais eletrônicos enviados pelo transdutor de velocidade do anemômetro é utilizado pelo sistema de controle da turbina para aciona-la quando a velocidade do vento chegar a 5 metros por segundo. O computador também para a turbina automaticamente se a velocidade do vento chegar a 25 metros por segundo com a finalidade de proteger a turbina e seus arredores. Os sinais eletrônicos utilizados pelo transdutor de direção do cata-vento são utilizados pelo sistema de controle para acionar o mecanismo de direcionamento.

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O gerador elementar foi inventado na Inglaterra em 1831 por MICHAEL FARADAY, e nos Estados Unidos, mais ou menos na mesma época, por JOSEPH HENRY.

Este gerador consistia basicamente de um ímã que se movimentava dentro de uma espira, ou vice-versa, provocando o aparecimento de uma f.e.m. registrado num galvanômetro.

Figura 3.1 - O galvanômetro "G" indica a passagem de uma corrente quando o ímã se move em relação a bobina.

A WEG INDÚSTRIAS LTDA, DIVISÃO MÁQUINAS iniciou sua fabricação em 1980, tendo adquirido ao longo destes anos uma larga experiência e tecnologia na fabricação de geradores de pequeno e grande porte.

3.1.2NOÇÕES DE APLICAÇÕES

Geradores síncronos são máquinas destinadas a transformar energia mecânica em energia elétrica.

Praticamente toda a energia consumida nas indústrias, residências, cidades, etc...,são proveniente destes geradores.

A WEG INDÚSTRIAS LTDA, DIVISÃO MÁQUINAS fabrica geradores para as seguintes aplicações:

•Geração Eólica; •Alimentação de Fazendas, Sítios, Garimpos, Carros de Som;

•Pequenos Centros de Geração de Energia para uso Geral; •Grupos Diesel de Emergência;

•Centro de Processamento de Dados;

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• Telecomunicações; •Usinas Hidroelétricas PCH’s;

•Cogeração / Turbo Geradores;

•Aplicações Específicas para uso Naval, Usinas de Açúcar e Álcool, Madeireiras, Arrozeiras, Petroquímica, etc.

3.1.2.1TIPOS DE ACIONAMENTOS

A - Grupo Diesel

São geradores acionados por Motores Diesel; Potência: 50 a 1500 kVA Rotação: 1800 rpm (IV pólos)

Tensão: 220, 380 ou 440 V - 50 ou 60 Hz. B - Hidrogeradores

São geradores acionados por Turbinas Hidráulicas; Potência: até 20.0 kVA Rotação: 360 a 1800 rpm (X a IV pólos)

Tensão: 220 a 13.800 V C - Turbogeradores

São geradores acionados por Turbinas a Vapor; Potência: até 20.0 kVA Rotação: 1800 rpm ( IV pólos ) Tensão: 220 a 13.800 V

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3.2 NOÇÕES FUNDAMENTAIS 3.2.1PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

A característica principal de um gerador elétrico é transformar energia mecânica em elétrica. Para facilitar o estudo do princípio de funcionamento, vamos considerar inicialmente uma espira imersa em um campo magnético produzido por um ímã permanente (Figura 3.2). O princípio básico de funcionamento está baseado no movimento relativo entre uma espira e um campo magnético. Os terminais da espira são conectados a dois anéis, que estão ligados ao circuito externo através de escovas. Este tipo de gerador é denominado de armadura giratória.

Figura 3.2 - Esquema de funcionamento de um gerador elementar (armadura girante)

Admitamos que a bobina gira com velocidade uniforme no sentido da flecha dentro do campo magnético "B" também uniforme (Figura 3.2).

Se "v" é a velocidade linear do condutor em relação ao campo magnético, segundo a lei da indução (FARADAY), o valor instantâneo da f.e.m. induzida no condutor em movimento de rotação é determinada por:

Onde:e = força eletromotriz;

B = indução do campo magnético; l = comprimento de cada condutor; v = velocidade linear; θ = ângulo formado entre B e v.

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Para N espiras teremos então:

A variação da f.e.m. no condutor, em função do tempo, é determinada pela lei da distribuição da indução magnética sob um pólo. Esta distribuição tem um caráter complexo e depende da forma da sapata polar. Com um desenho conveniente da sapata poderemos obter uma distribuição senoidal de induções. Neste caso, a f.e.m. induzida no condutor também varia com o tempo sob uma lei senoidal.

A Figura 3.4a. mostra somente um lado da bobina no campo magnético, em 12 posições diferentes, estando cada posição separada uma da outra de 30o.

A Figura 3.4b nos mostra as tensões correspondentes a cada uma das posições. Já nos geradores de campo giratório (Figura 3.3) a tensão de armadura é retirada diretamente do enrolamento de armadura (neste caso o estator) sem passar pelas escovas. A potência de excitação destes geradores normalmente é inferior a 5% da potência nominal, por este motivo, o tipo de armadura fixa (ou campo girante) é o mais utilizado.

Figura 3.3 - Esquema de funcionamento de um gerador elementar (armadura fixa).

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Figura 3.4 - Distribuição da Indução Magnética sob um Pólo

A cada giro das espiras teremos um ciclo completo da tensão gerada, para uma máquina de um par de pólos. Os enrolamentos podem ser construídos com um número maior de pares de pólos, que se distribuirão alternadamente (um norte e um sul).

Neste caso, teremos um ciclo a cada par de pólos. Sendo "n" a rotação da máquina em "rpm" e "f" a freqüência em ciclos por segundo (HERTZ) teremos:

Onde:f = frequência (Hz) p = número de pólos n = rotação síncrona (rpm)

Note que o número de pólos da máquina terá que ser sempre par, para formar os pares de pólos. Na tabela 3.1 são mostradas, para as freqüências e polaridades usuais, as velocidades síncronas correspondentes.

Número de pólos60 Hz50 Hz

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3.2.2GERAÇÃO DE CORRENTE TRIFÁSICA

O sistema trifásico é formado pela associação de três sistemas monofásicos de tensões

U1 , U2 e U3 tais que a defasagem entre elas seja de 120o (Figura 3.5).

O enrolamento desse tipo de gerador é constituído por três conjuntos de bobinas dispostas simetricamente no espaço, formando entre si também um ângulo de 120o.

Para que o sistema seja equilibrado isto é, U1 = U2 = U3 o número de espiras de cada bobina também deverá ser igual.

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