1

Ana Estanqueiro

Princípio de funcionamento de turbinas eólicas: parte I

Curso de Energias Renováveis

2

Turbinas Eólicas

Princípio de funcionamento

2

3

Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento

4

Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento

3

5

Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento

P=1/2ρCpAV3

6

Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento

DD

4

7

Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento

Forças actuantes na:a) pá/asa de uma turbina b) Forças num rotor eólico

L

D

8

• Variação típica de CL (a) e CD (b) de um perfil (NACA 44**) em função do ângulo de ataque

Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento

5

9

Turbinas eólicas

Aspectos tecnológicos e operacionais

10

Turbinas eólicas: aspectos tecnológicos

• Eixo vertical vs eixo horizontal.• Velocidade rotação “fixa” vs variável.• Gerador de indução ou síncrono.• Ligação à rede directa vs controlada.• ...

6

11Comuns Fora fabrico

Tipos de Turbinas: Eixo horizontal e vertical

12

Dimensões e parâmetros relevantes

Turbinas Eólicas HAWT:

Princípio de funcionamento

7

13

Dimensões e parâmetros relevantes

Turbinas Eólicas VAWT:

Princípio de funcionamento

14

Turbinas HAWT: Estrutura da nacelle e das pás

Princípio de funcionamento

8

15

Turbinas eólicas

Caracterização do desempenho de um rotor eólico

16

σπ

=NCR 2

Caracterização do desempenho de um rotor eólico

VRΩ

=λ

• Parâmetros relevantes de projecto e caracterização de desempenho:

– Solidez:

– Velocidade na ponta da pá:

9

17

Caracterização do desempenho de um rotor eólico

• Parâmetros relevantes de projecto:

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00Envergadura (m)

-2.00

8.00

18.00

28.00

38.00

48.00

58.00

Cor

da /

Espe

ssur

a (c

m)

-8.00

-4.00

0.00

4.00

8.00

12.00

16.00

Torç

ão

Corda

Espessura

Torção

18

• Teoria do disco actuador (Rankine-Froude):• determinação da força axial e coeficiente de

potência máximo

)-V(V=)-(= 12

1ax VRVVmF ρπ&

Caracterização do desempenho de um rotor eólico

10

19

• Método do elemento de pá (1):

Caracterização do desempenho de um rotor eólico

20

• Método do elemento de pá (2):

Caracterização do desempenho de um rotor eólico

11

21

• Teoria de Glauert/elemento de pá:

( ) ( )222220 '11 araUW +Ω+−=

Caracterização do desempenho de um rotor eólico

22

• Teoria de Glauert/elemento de pá:– Força axial

– Binário/torque/par

rdrBCCWBrdFdQ xg2

tan 21 ρ==

dF BCW C drax y = 12ρ 2

Caracterização do desempenho de um rotor eólico

12

23

• Teoria de Glauert/elemento de pá:

Caracterização do desempenho de um rotor eólico

φ α ψ= +

( ) ( )W V a r a= − + +02 2 2 21 1Ω '

tg φ = 1 - a1 +a'

C =C - C x L Dsin cosφ φC =C +C y L Dsin cosφ φ

24

• Teoria de Glauert / elemento de pá:– Torque/par:

– Velocidade de rotação

– Potência no eixo

Caracterização do desempenho de um rotor eólico

∫∫ ==r

x

r

rdrBCCWdQQmec0

2

0 21 ρ

PC

13

25

• Limite de Betz:Limite máximo de potência extraível do escoamento (Betz, 1927):

C =P

= .Pmax

max 12 0

3

1627

0 593ρAV

=

Potência incidente

Caracterização do desempenho de um rotor eólico

26

Caracterização do desempenho de um rotor eólico

• Graus de liberdade das pás:

14

27

• Factor de potência (Cp) dos vários tipos de turbinas:

Caracterização do desmpenho de um rotor eólico:Curva de potência ou de Cp

28

• Curva de potência (caract. actual):

Caracterização do desmpenho de um rotor eólico:Curva de potência ou de Cp

15

29

Tipos de Turbinas: Outros Parâmetros

• Regulação potência– Passo fixo (“stall”)– Passo variável (pitch”)

• Posição Rotor face à Estrutura de suporte– Em frente à torre (“upwind”)– Atrás da torre (“downwind”)

30

Turbinas Eólicas

Aspectos tecnológicos e operacionais:Regulação de potência

16

31

Regulação de potência

• Passo fixo vs variável (stall vs pitch):

• Análise comparativa da curva de potência adimensionalizada dos aerogeradores:

– Nordex 1300 kW, Enron 1500 kW, Vestas 1750 kW e Enercon 1800 kW

0 5 10 15 20 25V [m/s]

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

P/P

N [p

u]

EN70-1500 kWN60-1300 kWV66-1750 kWE66-1800 kW

32

Turbinas eólicas

Aspectos tecnológicos e operacionais: :estrutura de suporte

17

33

Tipos de torres:

a)troços açob)betãoc)treliçad)tubular espiada

Estruturas de Suporte

34

• Efeito de sombra da torre:

Estruturas de Suporte

18

35

• Efeito de interferência da torre:

Estruturas de Suporte

-50.00 -25.00 0.00 25.00 50.00ngulo de azimute [graus]

0.00E+0

1.00E+5

2.00E+5

3.00E+5

4.00E+5

Pot

ncia

[kW

]

U=4 m/s

U=6 m/s

U=8 m/s

U=10 m/s

U=24 m/s

-50.00 -25.00 0.00 25.00 50.00ngulo de azimute [graus]

0.00E+0

6.00E+4

1.20E+5

1.80E+5

For

a A

xial

[N]

U=4 m/s

U=6 m/s

U=8 m/s

U=10 m/s

U=24 m/s

36

Turbinas eólicas

Aspectos tecnológicos e operacionais:sistema de transmissão

19

37

Sistema de transmissão

1. Sistema pás e cubo (rotor eólico);2. veio de baixa velocidade (VBV);3. chumaceiras do VBV;4. travão de disco/sistema de segurança;5. união elástica

6 - caixa de velocidades;7 - veio de alta velocidade (VAV);8 - união elástica;9 - gerador eléctrico 10 - ligação à rede eléctrica

Princípio de funcionamento

38

Típico Equivalente de um Sistema de Transmissão

Princípio de funcionamento

CGBG

dGBG

ωG, θG

HH HGB HG

TW2

dHGB

CHGB

DG

ωGB, θGB

TG

DG

DH

HB

HB

dHBCHB

CHB

CHBdHB

dHB

DB

DB

DB

TW1

TW3

ωB1, θB1

ωB2, θB2

ωB3, θB3

HB

20

39

Turbinas eólicas

Conversão mecano-eléctrica:O gerador eléctrico

(Cont. Parte II)