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Ana Estanqueiro
Princípio de funcionamento de turbinas eólicas: parte I
Curso de Energias Renováveis
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Turbinas Eólicas
Princípio de funcionamento
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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
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Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento
Forças actuantes na:a) pá/asa de uma turbina b) Forças num rotor eólico
L
D
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• Variação típica de CL (a) e CD (b) de um perfil (NACA 44**) em função do ângulo de ataque
Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento
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Turbinas eólicas
Aspectos tecnológicos e operacionais
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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.• ...
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11Comuns Fora fabrico
Tipos de Turbinas: Eixo horizontal e vertical
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Dimensões e parâmetros relevantes
Turbinas Eólicas HAWT:
Princípio de funcionamento
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Dimensões e parâmetros relevantes
Turbinas Eólicas VAWT:
Princípio de funcionamento
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Turbinas HAWT: Estrutura da nacelle e das pás
Princípio de funcionamento
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Turbinas eólicas
Caracterização do desempenho de um rotor eólico
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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:
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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
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• 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
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• Método do elemento de pá (1):
Caracterização do desempenho de um rotor eólico
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• Método do elemento de pá (2):
Caracterização do desempenho de um rotor eólico
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• Teoria de Glauert/elemento de pá:
( ) ( )222220 '11 araUW +Ω+−=
Caracterização do desempenho de um rotor eólico
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• 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
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• 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
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• 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
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• 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
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Caracterização do desempenho de um rotor eólico
• Graus de liberdade das pás:
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• Factor de potência (Cp) dos vários tipos de turbinas:
Caracterização do desmpenho de um rotor eólico:Curva de potência ou de Cp
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• Curva de potência (caract. actual):
Caracterização do desmpenho de um rotor eólico:Curva de potência ou de Cp
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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”)
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Turbinas Eólicas
Aspectos tecnológicos e operacionais:Regulação de potência
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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
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Turbinas eólicas
Aspectos tecnológicos e operacionais: :estrutura de suporte
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Tipos de torres:
a)troços açob)betãoc)treliçad)tubular espiada
Estruturas de Suporte
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• Efeito de sombra da torre:
Estruturas de Suporte
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• 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
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Turbinas eólicas
Aspectos tecnológicos e operacionais:sistema de transmissão
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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
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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
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Turbinas eólicas
Conversão mecano-eléctrica:O gerador eléctrico
(Cont. Parte II)