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estudo técnico relativo à instalação de micro eólicas em edifícios

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1. 005 ewh Moderados devido ao ru do e Impactos Ambientais pegada visual Tabela 4 Resumo de caracter sticas da energia e lica RAVARA BELLO 2009 A produ o de energia el ctrica recorrendo a aproveitamentos renov veis de pequena escala encontra se como uma das solu es a adoptar na promo o do desempenho energ tico nacional redu o de perdas na rede de transporte o aumento da fiabilidade no fornecimento de electricidade s o vantagens inerentes deste tipo de produ o Importa referir que associada a esta encontra se uma mudan a de paradigma do sistema energ tico 1 i as o ITA j Existem muitas marcas a comercializar turbinas para aplica o em resid ncias contudo em Portugal o mercado ainda pouco conhecido 90 uma vez que o seu aumento conduz a uma descentraliza o da produ o onde as redes de BT apresentar o cada vez mais protagonismo O sector da microgera o e lica pode ter uma contribui o importante na produ o distribu da dom stica em Portugal quer numa vertente puramente energ tica quer numa vertente tecnol gica com o potencial envolvimento de empresas nacionais na industrializa o optimiza o e produ o das tecnologias e know how j desenvolvido pelo sistema cient fico nacional Como qualquer sector inovador tamb m a penetra o destas tecnologias no mercado n o isenta de desafios apontando se como a mais relevante a extrema dificuldade
2. do que ar em movimento ou seja um movimento aleat rio de cada mol cula que forma o ar por m a uma escala que compreende uma parte da atmosfera O Movimento causado pelas diferen as de press o atmosf rica entre duas regi es em que o mesmo sofre influ ncia do relevo da proximidade com o mar com a rugosidade do terreno e da temperatura do local 2 1 Recurso e lico O vento e a gua em conjunto com os seres humanos e animais foram as maiores fontes de energia de toda a hist ria conhecida at h um par de s culos atr s No s c XVIII julga se que s a Gr Bretanha teria cerca de 10 000 moinhos de vento e curiosamente estas m quinas movidas a vento n o desapareceram com a Revolu o Industrial RAMPAGE 2003 A ideia da utiliza o destas m quinas movidas a vento para gerar energia n o nova mas a partir de 1980 a energia produzida pelo vento tem vindo a aumentar gradualmente A energia produzida por cada unidade aerogeradora n o aumentou muito nos ltimos anos mas o n mero de unidades aumentou 100 vezes em pouco mais de uma d cada Presentemente existem grandes aerogeradores com uma pot ncia superior a 1 MW e h tamb m um mercado especializado em micro sistemas com pot ncias a partir de 100 W RAMPAGE 2003 21 A forma esf rica e os movimentos de rota o da Terra o aquecimento das massas de ar pelo Sol e as flutua es sazonais e regionais da irradia o da energia s
3. Ficheiro Gerir Regime Contratual Local da Instala o Caracteristicas da E lica Geral m m Pot ncia Contratada Altitude da Instala o m Velocidade Cut in m s Pot ncia E lica kW Rugosidade da terreno Altura da Torre m Velocidade Cut Out m s Di metro do Rotor m Fr Coeficiente de Pot ncia CP Pot ncia M xima para Produ o kW CP conhecido 7 Limite de Betz Velocidade m dia do vento no Local m s Ot de olicas Energia Anual Produzida kW Ano Pot ncia do inversor Figura 27 Layout do programa 86 A estrutura do programa est dividida em 3 partes 3 1 Dados contratuais Esta primeira parte referente ao dados da instala o aonde iremos realizar a montagem do aerogerador onde o utilizador tem de escolher qual o regime que vai optar conforme o decreto lei 363 2007 Ap s essa selec o ter de escolher a pot ncia que tem contratada para ser cumprido o decreto lei A produ o m xima que pode produzir ira aparecer no campo Pot ncia m xima de produ o permitida Com estes dados o utilizador j sabe que est limitado a produzir aquela pot ncia m xima que aparece no campo de gera o m xima e pode depois escolher o aerogerador mediante a pot ncia produzida 3 2 Dados do local da instala o Nesta zona do programa o utilizador ir inserir o local da instala o a altura da instala o altura da torre onde vai ser instalado o aerogerador foi considerada
4. Os principais tipos de rotores de eixo vertical s o Darrieus Savonius e turbinas com torre de v rtices QUASCHNING 2005 como apresentadas na Figura 7 Savonius rotor Darrigus rotor H rotor Figura 7 Turbinas de eixo vertical QUASCHNING 2005 As turbinas do tipo Darrieus s o movidas por for as de sustenta o e constitu das por l minas duas ou tr s com a forma de uma par bola fixas nas duas extremidades ao eixo vertical QUASCHNING 2005 36 O eixo principal de uma turbina vertical perpendicular superf cie da terra As p s que podem ser curvas ou rectas giram em torno do eixo vertical Os principais elementos desse tipo de projecto s o amp P s do rotor e tubo de bin rio Cabos de suporta o e mancais amp Estrutura de suporta o e funda o Rotor coluna ou eixo de rota o o rotor de uma turbina vertical constitu do habitualmente por duas p s s o acopladas directamente ao rotor coluna ou atrav s de tirantes Por sua vez o tubo de bin rio por sua vez encontra se acoplado caixa de engrenagens e ao gerador Cabos de a o e mancais os cabos de a o s o utilizados para suportar o tubo de bin rio e mant lo na posi o vertical Os cabos s o ligados na parte superior do tubo de bin rio a um mancal e estendem se at ao solo onde s o fixos atrav s de conex es em a o a uma funda o Na parte inferior o rotor coluna suportado por um out
5. dado na ficha de caracteristicas do aerogerador o valor de CP o valor considerado foi 0 35 CP 0 35 P u Sx Axpxu xC Substituindo as formulas de P u e f U na formula da energia anual obt m se o seguinte Ea KWA 8760 5 545 pru xC x Te pr Cm cut in Realizando o somat rio compreendido entre as velocidades de cut in e cut out a energia produzida anualmente de 5393 78 kWh ano 99 Dimensionamento do Rectificador A partir da ficha de caracter sticas do aerogerador sabemos a o valor de U pe mx que 120V ent o vamos calcular o valor da corrente m xima do regulador e lico Px 1500W U pe yay 120V P 1500 I max DC a MAX DC RAR U pc max 120 I uax be 12 5A A corrente m xima do regulador ser de 12 5 amp Dimensionamento do Inversor O lado DC do circuito deve incluir um disjuntor de acordo com a norma DIV VDE 0100 712 na qual seja permitido a desconex o do gerador ao inversor A partir do c lculo atr s efectuado determinamos que o disjuntor ser tripolar de 16 Tendo em conta o que foi dito no ponto 3 4 8 vamos calcular a pot ncia do inversor a colocar no sistema O intervalo de potencia dever estar entre 0 7 x eee lt Pwnc 0 7x1500 lt P pc lt 1 2x1500 lt gt 1050 lt P nc lt 1800 lt E2 eolica Atrav s deste c lculo e ap s a consulta ao fabricante de Inversores SMA vamos considerar o inversor modelo Windy Boy 1700 100 Carac
6. o io 19 dado Bic o a rede publica de BTI canas oenen E E E ar 80 Snid POR O Assados reina AR T E E 81 alo Contador de NCL O18 esa esa Td a a a N e e 83 CAPITULO a aera ias NRO ela adia dra a CRT Su ara did a 86 OPEN CCE ADIICA O a aasnandidai ures ks iara data in da cena q ed bd a di tlaniuacass 86 dd Dados Contra tuais atas sebean diodo das ds pao ia alia meee Dao dia aa 87 Soe Dados do local da imstala o se RP Ria AO Sa 87 De Caracieristicas da CONC eseas e E singela eu a 87 CEDO a E a 89 ETE E OAIE ET E EALE E A E eee 89 rercrencias DiDHosranicas E OUAS a A Sa a es 92 vil UNE DO O a a a RA amen aa 96 Anexo 1 Dimensionamento de uma instala o de produ o de energia a partir de mini edlicas com lidacdo A Ted isa ata so ico eed eset Di A ira a as 96 Anexo 2 Caracter sticas t cnicas de alguns micro aerogeradores existentes no mercado105 viil NDICE DE FIGURAS Figura 1 Evolu o da capacidade instalada para a MG at 5 75 KW 18 Figura 2 Forma o dos ventos causado pelas desloca es de massas de ar 23 Figura 3 Comportamento do vento sob a influ ncia das caracter sticas do terreno 26 Figura 4 Atlas Portugu s do ventosa es pen i soU sta dan das SU a Sua sado nto 27 Figura 5 Energia el ctrica em fun o da velocidade angular de um aerogerador 30 Figura 6 Pot ncia produzida em fun o da rea de varrimento da turbina 32 Pio
7. rea de varrimento da turbina determina a maior ou menor capacidade de receber energia do vento Quanto maior a rea de varrimento de uma turbina maior ser a sua capacidade de capturar energia do vento A comprovar isto o gr fico da Figura 6 foi constru do com base numa recolha de caracter sticas t cnicas de micro aerogeradores existentes no mercado 31 E pa Pr 20 2 nn f m T E e 15 E E m amp 10 gt gt gt 0 gt 0 00020 2 40002002 2220 a amp q a 0 2 4 6 3 10 12 14 16 15 20 Area de varrimento m2 Figura 6 Pot ncia produzida em fun o da rea de varrimento da turbina Densidade do ar no local de instala o do aerogerador A energia cin tica de um corpo em movimento proporcional sua massa Da mesma forma a energia cin tica do vento depende da densidade do ar ou seja da sua massa por unidade de volume Poder se ent o concluir que quanto maior a densidade do ar maior ser a energia cin tica fornecida turbina A press o atmosf rica m dia a 15 C cerca de 1 225 kg m3 no entanto a densidade do ar diminui com o aumento da altitude e humidade Rugosidade do terreno refere se influ ncia exercida pelos obst culos passagem do vento A superf cie
8. PMSG PMSG PMSG PMSG PMSG 1 8 10 20 1 5 20 0 108 0 108 0 24 0 24 0 108 0 24 0 9 10 20 0 2 0 3 0 4 0 5 aN 6 2 10 4 22 3 4 6 8 11 0 3 0 3 27 21 Zoo 45 3 6 6 4 12 21 2 0 1 4 2 Horizontal Horizontal Horizontal Horizontal Horizontal Horizontal Horizontal Vertical Vertical Vertical Vertical Vertical Vertical Horizontal Horizontal Horizontal Horizontal Vertical Horizontal Horizontal Horizontal Horizontal Horizontal Horizontal Horizontal Horizontal Horizontal 106
9. apenas com todo o meu empenho e dedica o que irei conseguir atingir os meus objectivos Aos meus Padrinhos por nunca me terem deixado desistir de terminar este trabalho minha amiga companheira e namorada Carla Teixeira Nestes ltimos anos tem sido uma fonte de motiva o e uma presen a constante na minha vida em que nos momentos mais delicados demonstrou paci ncia e compreens o Ao meu grande Amigo H lder Santos que tamb m esteve comigo na Luta para entregar o trabalho a tempo tenho de agradecer a ajuda oferecida as palavras de motiva o quando os n veis de confian a j estavam muito baixos e as largas horas de companhia na realiza o deste trabalho Ao Nelson Silvestre pela ajuda no desenvolvimento do programa inform tico E queria agradecer a todos os meus amigos que me apoiaram na realiza o deste trabalho 1V NDICE RESUMO ra er a E E Oe en ec et er ee da ii ABO TERA E oraa E E A A E E ART SE DR ili AGRADECIMENTOS usada tes dinate leah ao ia ansetou ane alo eds EA iv IGS DA SADO Rear qn RR E tere rere reer rere TDR RE ayy v INDICE DE BUG A sao ai E E EA ix INDIOR DE TABE EN ra aa pa xi ABREVIATURAS essi EN R T O Ce Aaies xii CAPITULO T raana E N E 14 Doda Oerd E RR A ORA De eee ene 14 pad Caracierza o do problemn sene aee senao padaria cia da 14 1 2 Enquadramento do trabalho ssesesesesseseseseseseseseseesesesesesesesssseseseseseseseeseseseseseseses 17 ES E EO LESS E
10. engenharia para efectuar uma selec o e dimensionamento adequado da mesma para que o investimento feito seja adequado futura rentabilidade do sistema Neste estudo dever o ser analisados diversos aspectos nomeadamente o tipo de turbina pretendida o vento dispon vel no local onde ser instalada a turbina e a pot ncia que a turbina dever ter para conseguir satisfazer a produ o di ria de energia ou para uma poss vel venda 65 dessa mesma energia rede com base na velocidade m dia do vento dispon vel no local PEREIRA 2010 Para conseguirmos estes dados temos de seguir os passos referidos no ponto 3 2 referentes an lise do tipo de vento que existe no local da instala o 3 9 3 Escolha da turbina e lica Na escolha do tipo de turbina os principais factores que se devem ter em conta s o a estabilidade do vento e a sua curva caracter stica pot ncia de sa da versus velocidade Este gr fico essencial para se saber qual a pot ncia a instalar para que o micro aerogerador seja o mais rent vel poss vel Claro que de nada vale adquirir um micro aerogerador de 3 5 ou 4 kW quando na realidade a regi o onde vivemos tem velocidades de vento muito baixas Normalmente nos micro aerogeradores a sua velocidade de arranque na ordem dos 2 5 m s PEREIRA 2010 Conforme o ponto 3 4 2 um dos factores que influencia a selec o e dimensionamento de uma turbina e lica a velocidade do vento Se este for
11. o ou acelera o na velocidade do vento Al m das varia es topogr ficas e da rugosidade do solo a velocidade tamb m varia com a altura DUTRA 2007 Tendo em vista que a velocidade do vento pode variar significativamente em curtas dist ncias algumas centenas de metros os procedimentos para avaliar o local no qual se deseja instalar turbinas e licas devem levar em considera o todos os par metros regionais que influenciam nas condi es do vento Entre os principais factores de influ ncia no regime dos ventos destacam se A varia o da velocidade com a altura amp A rugosidade do terreno que caracterizada pela vegeta o utiliza o da terra e constru es amp Presen a de obst culos nas redondezas Relevo que pode causar efeito de acelera o ou desacelera o no escoamento do ar As informa es necess rias para o levantamento das condi es regionais podem ser obtidas a partir de mapas topogr ficos e de uma visita ao local de interesse para avaliar e modelar a rugosidade e os obst culos O uso de imagens a reas e dados de sat lite tamb m contribuem para uma an lise mais acurada DUTRA 2007 A figura 3 mostra de uma forma gen rica como os ventos se comportam quando est o sob a influ ncia das caracter sticas da superf cie do solo DUTRA 2007 29 Ascendente um jo Mar Grama rvores Morro Floresta Constru o Cidade Montanha e Vale Rugosidade Figura 3 C
12. rio da Economia e da Inova o portugu s O objectivo promover a instala o de 50 mil sistemas fotovolta cos ou mini e licos at 2010 com um especial incentivo instala o de colectores solares para aquecimento de gua em habita es MEI 2007 Este novo conceito de consumidor empresa ou particular poder utilizar equipamentos de pequena escala para produ o de energia e poder o ter acesso a dois regimes distintos de remunera o regime geral ou regime bonificado A energia el ctrica maioritariamente produzida em centrais el ctricas de grande porte afastadas dos grandes centros de consumo situados tipicamente em zonas urbanas ou industriais Sucena Paiva 2007 A produ o distribu da ou microgera o a gera o de energia pelo pr prio consumidor sendo este uma empresa ou particular atrav s do uso de equipamentos de pequena escala nomeadamente pain is solares mini e licas micro turbinas ou outra tecnologia EDP Energias de Portugal 2009 15 Este tipo de produ o descentralizada constitui uma alternativa s grandes centrais bem como s redes de distribui o AT As novas tecnologias existentes produzem electricidade de elevada qualidade e de forma eficiente O facto de a produ o ser no local de consumo as perdas por transporte s o eliminadas bem como os custos inerentes ao transporte Existe ainda a possibilidade de aproveitar o calor que libertado por alguns equipament
13. sticas e Pot ncia Nominal 3 kW e Velocidade de Cut in m s 3 5 e Velocidade de Cut out m s 14 97 e Velocidade Limite m s 60 e Pot ncia Nominal aos m s 12 e Tipo de Rotor Downwind auto regulado e N mero de P s 2 e Material das P s Fibra de vidro e de carbono e Di metro do Rotor m 4 e Tipo de Gerador Sem Escovas transmiss o directa C lculo da velocidade m dia do Vento para a altura da instala o Vamos saber qual ser a velocidade do vento altura em que estar o aerogerador V Z 3 89m s Z 10m Z altura da montagem altura da coluna a rugosidade do terreno povoa o 1 5 Zz g46 V Z V Z A N o pn 2 DE d 6 ref V Z 6 44m s C lculo da pot ncia necess ria da turbina Como neste caso n o existe uma necessidade energ tica para consumo pr prio pois trata se de um sistema ligado rede apenas iremos necessitar do valor de V Z 98 C lculo da pot ncia produzida anualmente Na curva de pot ncia do aerogerador verifica se a pot ncia nominal a velocidade de arranque e a velocidade m xima na qual o aerogerador come a a perder caracter stica Atrav s da curva de potencia e recorrendo distribui o da velocidade do vento atrav s da distribui o de Rayleigh poss vel determinar a energia obtida anualmente cut out E mui KWh 8760x gt P u x f u cut in Onde cut in 3 5m s cut out 14m s5 Como nao
14. tico para os aspectos mais importantes da energia Lisboa MONITOR Projectos e Edi es Lda RAVARA BELLO F M 2009 Integra o em Edif cios de Sistemas de micro gera o Lisboa REN 19 de Mar o de 2010 Centro de Informa o REN Obtido em 10 de Outubro de 2010 de REN Rede Electrica Nacional http www centrodeinformacao ren pt P T publicacoes EnergiaEolica A 20Energia 20E WC3 B3lica 20em 20Portugal 20 202009 pdf 93 Saraiva J T Lopes J P Hatziargyriou N amp Jenkins N 2003 EU Cluster Integration of RES DG Obtido em Junho de 2010 de http www clusterintegration org http www microgrids eu micro2000 presentations 6 pdf Sucena Paiva J P 2007 Redes de energia el ctrica uma an lise sist mica Lisboa IST Press Windfinder com s d windfinder com Obtido em Setembro de 2010 de http www windfinder com windstats windstatistic porto htm ZENTI s d Zenti Energies Obtido em Julho de 2010 de http www zenit energies com eole php 94 ANEXOS Anexo 1 Dimensionamento de uma instala o de produ ao de energia a partir de mini e licas com liga o rede Vamos considerar o seguinte problema Um cliente quer instalar um sistema de produ o de energia a partir de uma mini eolica com liga o rede O edif cio fica situado na zona de Matosinhos tem uma altura de 8m O cliente vai optar pelo regime bonificado visto que j tem instalado no edif
15. 2009 Obtido em 8 de Junho de 2010 de http www edp pt pt particulares faqs Pages Microprodu C3 A7 C3 A30 aspx ESTANQUEIRO A Junho de 2008 Energia E lica em Ambiente Urbano e Construido Lisba ESTANQUEIRO A amp SIM ES T 2010 APROVEITAMENTO DE ENERGIA E LICA EM AMBIENTE URBANO CONSTRU DO RENOVAVEIS MAGAZINE 44 48 92 GIPE P 2000 Energia E lica Pr tica Espanha PROGENSA JAPP 2009 JAPP Energias e Hidraulica Obtido em 3 de Setembro de 2010 de http www japp pt doc php co 44 MANWELL J M 2009 Wind energy explained theory design and applications Second Edition ISBN 978 0 470 01500 1 John Wiley amp Sons MASTERS G M 2004 Renewable and efficient electric power system ISBN 0471280607 John Wiley amp Sons MEI M d 2007 Obtido em Junho de 2010 de Minist rio da Economia e Inova o http www min economia pt document Energia Alteracoes pdf Muller S D Maio Junho de 2002 Doubly Fed Induction Generator Systems for Wind Turbines IEEE Industry Applications Magazine pp 26 33 PATEL M R 2006 Wind and Solar Power Systems design analysis and operation ISBN 0 8493 1570 0 Taylor amp Francis PEREIRA F Abril de 2010 Energias Renovaveis Dimensionamento de um sistema de venda de energia el ctrica rede pp 68 72 QUASCHNING V 2005 Understanding Renewable Energy Systems Uk e USA Earthscan RAMPAGE J 2003 Guia da Energia Um guia pr
16. IEC 62208 e dever garantir os ndices de protec o IP45 e IK10 PORTINHOLA PC P DIVINO DRE ALTURA 330 VINIE LARGURA 290 mm PROFUNDIDADE 135 Tabela 2 Dimens es m nimas da portinhola 64 3 9 Dimensionamento tipo para um sistema de produ o de energia a partir de mini e licas com liga ao rede 3 5 1 Condi es Gerais Os sistemas com liga o rede el ctrica podem ser integrados no Regime Produtor Consumidor ou Regime Produtor Um sistema de liga o rede permite a venda de energia el ctrica s companhias distribuidoras de energia Neste caso toda a energia gerada enviada directamente para a rede n o sendo necess rias as baterias o que torna o sistema mais simples e com menor manuten o Na publica o do Decreto Lei 363 2007 os microprodutores v o ter a possibilidade de a partir de fontes de energias renov veis produzir electricidade para injectar na rede p blica no entanto n o poder o ultrapassar 50 da pot ncia contratada at um m ximo de 3 68 kW regime bonificado ou 5 75 kW regime geral No caso de venda de energia atrav s de um aerogerador este valor ser facturado a 0 455 kWh No regime bonificado o produtor de energia ter que obrigatoriamente ter um colector solar t rmico com um m nimo de 2m 3 5 2 Dimensionamento e selec o da turbina e lica Quando se pretende instalar uma microe lica ter de antecipadamente haver um estudo de
17. a o onde as p s s o acopladas com parafusos A fibra de carbono tem sido utilizada em algumas aplica es mas o elevado custo impede que seja utilizada em larga escala Em rela o superf cie de ataque do vento incidente nas p s o rotor pode ser colocado a montante ou a jusante da torre A op o upwind em que o vento ataca as p s pelo lado da frente generalizou se devido ao facto de o vento incidente n o ser perturbado pela torre A op o downwind em que o vento ataca as p s pelo lado de tr s permite o auto alinhamento do rotor na direc o do vento mas tem vindo a ser progressivamente abandonada pois o escoamento perturbado pela torre antes de incidir no rotor Castro 2009 34 Os rotores horizontais s o geralmente caracterizados em fun o da direc o da incid ncia do vento do tamanho das p s do n mero e tipo de p s e do tipo de passo Outros par metros usados para descrever o rotor s o o ngulo do cone a velocidade da extremidade da p e rota es por minuto rpm Transmiss o e caixa multiplicadora A transmiss o que engloba a caixa multiplicadora tem como finalidade transmitir a energia mec nica entregue pelo eixo da turbina at a carga O projecto convencional de uma turbina e lica consiste em colocar a caixa de transmiss o mec nica entre a turbina e o gerador de forma a adaptar a baixa velocidade do rotor velocidade de rota o mais elevada dos geradores convenci
18. da energia produzida na rede dentro de um limite estipulado resultando assim uma redu o na factura do produtor Este enquadramento apresenta benef cios econ micos de modo a incentivar os possuidores de liga o BT a tornarem se micro produtores sobrepondo se assim ao anterior Decreto Lei 68 2002 que n o satisfazia crit rios de rentabilidade para os pequenos produtores 1 2 Enquadramento do trabalho Sendo as energias renov veis e em particular a microgera o um tema extremamente actual e pertinente serve o presente documento de guia instala o de um sistema e lico em ambiente urbano Ao longo deste documento apresentada informa o acerca deste aproveitamento e lico os procedimentos a ter em conta para tirar melhor partido da instala o e uma previs o da energia produzida e quais os tipos de equipamentos que s o necess rios para realizar essa convers o O sistema de microprodu o considerado foi um sistema de Liga o rede BT A quest o ambiental e o aumento gradual dos consumos energ ticos s o factores condicionantes fundamentais para o desenvolvimento econ mico e sustent vel do nosso pa s A procura intensiva de novas alternativas energ ticas assume deste modo um papel crucial para satisfazer os requisitos energ ticos e ambientais 17 De acordo com Minist rio da Economia e da Inova o nos pr ximos anos prev se uma crescente penetra o do fen meno da microgera o MG que
19. direc o do vento QUASCHNING 2005 amp A maquinaria gerador e outros elementos mec nicos localizada no solo deste modo as actividades de manuten o s o realizadas no solo QUASCHNING 2005 38 Ideais para locais onde legalmente n o seja poss vel a coloca o de estruturas altas nos edif cios gt Desvantagens amp No fabrico destas turbinas existe a necessidade de maiores quantidades de material comparativamente a uma turbina de eixo horizontal que produza a mesma pot ncia Normalmente as turbinas de eixo vertical encontram se muito perto do solo onde os ventos s o mais fracos MASTERS 2004 amp O vento pr ximo da superf cie turbulento o que aumenta a instabilidade nos apoios e p s da turbina MASTERS 2004 amp Aquando da exist ncia de ventos fortes ter que ser realizado um controlo de pot ncia no sentido de proteger o gerador Contudo este controlo n o pode ser efectuado reduzindo o aproveitamento do vento como se verifica nas turbinas em eixo horizontal Neste caso este controlo ter que ser realizado pelos conversores electr nicos de pot ncia PATEL 2006 amp A turbina do tipo Darrieus necessita de um sistema de arranque auxiliar por vezes s o acopladas a turbinas do tipo Savonius QUASCHNING 2005 amp As turbinas do tipo Darrieus t m uma efici ncia superior s turbinas do tipo Savonius no entanto as primeiras apenas atingem 75 da efici ncia das turbinas com eixo
20. em caracterizar o recurso e lico em ambiente urbano quando as normais metodologias de base experimental utilizadas na avalia o energ tica de parques e licos se afiguram impratic veis face reduzida escala do investimento em micro turbinas ESTANQUEIRO amp SIM ES 2010 91 REF RENCIAS BIBLIOGRAFICAS E OUTRAS Ackermann T 2005 Wind Power in Power Systems ISBN 0 470 85508 8 John Wiley amp Sons AG SMA Solar Technology 2010 WINDY BOY 1200 1700 Manual de instala o Alemanha SMA Solar Technology AG ALMEIDA E M 2002 Microgera o E lica Porto BORNAY 2010 Join the Bornay experience Castalla Alicante Espanha CAMUS C I 30 de Novembro de 2007 Obtido em 6 de Outubro de 2010 de Instituto Politecnico de Lisboa http pwp net ipl pt deea isel ccamus Doc eolicaresumo pdf Castro R M 2009 INTRODU O ENERGIA E LICA Lisboa CEETA 2001 Centro de Estudos em Economia da Energia dos Transportes e do Ambiente Obtido em Junho de 2010 de http www ceeeta pt COSTA P P 2006 Development and Validation of the Portuguese Wind Atlas Proceedings of the European Wind Energy Conference p paper 841 http www ewec2006proceedings info DGEG 2008 Obtido em 6 de Junho de 2010 de http www dgge pt DUTRA R 2007 CRESESB Obtido em 10 de Junho de 2010 de CRESESB http www cresesb cepel br tutorial tutorial eolica e book pdf EDP Energias de Portugal
21. es terra do aerogerador atrav s da liga o ao circuito geral de protec o de terras 79 LE o o TE EESE CETT j Figura 20 Esquema de liga o terra da torre do aerogerador Liga es equipotenciais Todas as canaliza es ou estruturas condutoras enterradas gua esgotos ar comprimido electricidade e telecomunica es cujo tra ado se situe a menos de 3m de qualquer ponto do conjunto de el ctrodos de terra devem ser interligados com esse conjunto de el ctrodos por meio de condutores de cobre sec o gt 16mm de ferro galvanizado ou de a o inoxid vel sec o gt 50mm A 3 5 13 Liga o rede p blica de BT A liga o rede p blica de BT j foi abordada no ponto 3 3 80 3 5 14 Portinhola Acerca das caracter sticas t cnicas para a portinhola estas j foram referidas no ponto Duo Na figura 21 apresentado o esquema de liga o de uma unidade de microprodu o RESP sendo esta solu o preferencial No caso da unidade de microprodu o utilizar uma instala o j existente com unidade de consumo o contador de consumo e o contador de produ o s o ligados nova PC P sendo a antiga portinhola utilizada como caixa de passagem figura 22 Solu o A Clientes BTN Instala es Novas Instala es Existentes Solu o preferencial Liga o a ramal a reo ou ramal subterr neo LEGENDA ACE Aparelho de Corte de Entrada QE
22. este ser decisivo na selec o da turbina em situa es em que n o exista diferen a consider vel do rendimento entre os dois tipos de turbinas Performance O 12 14 16 18 amp Wind speed mis Figura 19 Curva da caracter stica Potencia vs Velocidade do vento do aerogerador Bornay 1500 BORNAY 2010 67 Atrav s da an lise do gr fico da figura 19 verificamos que este micro aerogerador atinge a pot ncia de 600 W a 6m s 3 5 4 C lculo da velocidade m dia do Vento para a altura da instala o Um estudo fundamental na an lise de viabilidade de um micro aerogerador a velocidade m dia do vento no local de instala o da mesma Como se sabe a produ o de energia por parte da turbina depende fortemente da intensidade do vento pelo que se deve obter informa es minimamente fi veis antecipadamente nomeadamente as velocidades m dias do vento Esta informa o dever ter como exemplo uma base mensal durante os 12 meses do ano que aquela que se utilizar neste caso na estimativa da produ o mensal e anual de energia por parte da turbina Para uma maior precis o na estimativa o local onde a velocidade do vento medida dever ser o mais pr ximo poss vel do s tio onde se vai instalar a turbina Para calcularmos a velocidade do vento para a altura de instala o da e lica vamos utilizar a f rmula referida no ponto 3 1 3 3 5 5 C lculo da pot ncia necess ria da turbina Para a esc
23. horizontal 2 4 Gerador A transforma o de energia mec nica de rota o em energia el ctrica atrav s de equipamentos de convers o electromec nicos assunto tecnologicamente dominado e portanto encontram se dispon veis no mercado diversos modelos de diferentes fabricantes para as mais variadas gamas de pot ncia e aplica es 39 No entanto a integra o de geradores em sistemas de convers o de energia e lica um problema que envolve algumas dificuldades nomeadamente Varia o da velocidade do vento Varia es do bin rio de entrada uma vez que as varia es da velocidade do vento conduzem varia es de pot ncia transmitidas ao eixo de rota o amp Exig ncia de frequ ncia e tens o constantes na energia produzida A Figura 8 apresenta as percentagens do tipo de geradores aplicados em sistemas ME Este gr fico foi constru do com base numa recolha de caracter sticas t cnicas de cerca de 50 micro aerogeradores existentes no mercado ver Anexo 2 Nesta an lise destacam se dois tipos de geradores mais especificamente geradores ass ncronos e geradores s ncronos de manes permanentes estes com uma cota significativa no mercado de micro aerogeradores Tipos de Gerador de Micro e licas m Assincrono E Sincrono de imanes permanentes Sem especifica o Figura 8 Tipos de Geradores de micro e licas 40 Os dois tipos b sicos de geradores el ctricos s o os s ncronos
24. largamente utilizados como gerador e como motor onde se requer velocidade constante e os ass ncronos que s o os mais utilizados em turbinas e licas de grande porte aos quais pertencem as m quinas de indu o do tipo gaiola de esquilo Ambos os tipos de geradores trabalham na faixa de 1800 rpm para 4 p los 50Hz ou 1200 rpm para seis p los 50Hz Gerador Ass ncrono nestes geradores a velocidade de rota o do rotor fun o da velocidade do vento Da adv m o facto das m quinas n o trabalharem normalmente a uma velocidade constante A varia o de algumas rpm na velocidade do rotor traduz se numa varia o das centenas de rpm sa da da caixa multiplicadora funcionando o gerador num modo de velocidade vari vel embora numa gama estreita Tendo em conta o conceito de aplica es de velocidade a frequ ncia das grandezas induzidas n o depende directamente da velocidade de rota o do veio Outra vantagem o facto do gerador ass ncrono ter uma contribui o desprez vel para o aumento da pot ncia de curto circuito Por conseguinte como este gerador n o tem excita o independente esta prov m da rede se ocorrer um curto circuito a m quina fica desligada da rede sem excita o e n o alimenta o curto circuito Ao contr rio dos geradores s ncronos nos ass ncronos o factor de pot ncia um par metro construtivo pouco vari vel em fun o do ponto de funcionamento de carga O ele
25. liga o entre o rectificador e o inversor Vamos considerar a caixa de jun o do gerador no exterior o referido cabo deve ser entubado de modo a garantir a protec o contra os raios UV Para calcularmos a sec o do cabo vamos utilizar a f rmula Onde L DC 6m Ine 12 54 U sc 120V o 56m Q mm GC F EG Ent o 102 2 Xda xd 2 12 Spe mm Zt e s o mm E 1 xU pc X0 1 x120x56 S pc mm 2 32mm Normalizado o valor da sec o o valor a considerar ser de 2 5mm O cabo a considerar ser do tipo da figura 30 j PETITE GC EXZHELLENT SOLAR FOTOVOLTAICO XZIFA3Z K AS 1 8 kV cc O Figura 30 Tipo de cabo DC a utilizar entre o rectificador e o inversor AG SMA Solar Technology 2010 Cabos de liga o do inversor rede receptora portinhola Para Calcular a sec o do cabo que liga o inversor P 1850 je da a tao a AC A sec o do condutor a considerar ser de 6mm2 que o valor m nimo exigido nas RTIEBT O tipo de cabo a utilizar poder ser o VV 2 x 6mm2 103 Material a considerar para realizar a Instala o amp Aerogerador JBornay 1500 amp Torre 6m de altura til amp Rectificador de Tens o ECM2503ME 120 amp Kit de fixa o da torre amp Caixa de jun o e kit de Cabos Jbox 1700 amp Interruptor AC 16 A com Bloqueio LAC16 1700 amp Inversor SMA Windy Boy 1700 Contador de energia aprovado pela EDP Sis
26. mais est vel o rotor de eixo horizontal o mais aconselhado devido ao seu maior rendimento No que diz respeito velocidade do vento para velocidades do vento baixas abaixo de 6 m s recomend vel a turbina de eixo vertical de Darrieus porque este tipo de turbinas apresenta um maior bin rio a baixas velocidades do vento e desde logo um melhor comportamento a velocidade baixas quando comparada com outros tipos de turbinas Por outro lado quando a velocidade do vento alta acima dos 6 m s recomend vel a utiliza o de uma turbina de eixo horizontal caso o vento seja direccionalmente est vel ou uma turbina de eixo vertical tipo Savonius caso o vento seja direccionalmente muito inst vel visto 66 estas funcionarem melhor a velocidades elevadas e apresentarem um melhor rendimento PEREIRA 2010 A figura 18 representa um gr fico que resume a selec o do tipo de turbina e lica em fun o da velocidade m dia do vento e da estabilidade direccional Eixo Horizontal duas ou tr s pas Eixo Vertical tipo Darrieus Eixo Vertical tipo Savonius Estabilidade direccional do vento mis Velocidade m dia do vento mis Figura 18 selec o do tipo de turbina e lica em fun o da velocidade m dia do vento e da estabilidade direccional PEREIRA 2010 Dever ser tomado em considera o um terceiro factor como a rela o entre a pot ncia de sa da e valor da velocidade do vento da turbina podendo
27. menos pr xima do solo poss vel determinar a velocidade do vento para uma determinada altura recorrendo seguinte equa o a Z V Z V Z x Onde Z a altura para qual se pretende conhecer a velocidade Z of a altura referencia V Za representa a velocidade na cota de referencia e o coeficiente de atrito da superf cie ALMEIDA 2002 do 3 3 Escolha do local de instala o de um aerogerador O aerogerador deve ser instalado num local onde o vento seja forte e persistente A identifica o de um local de interesse para proceder instala o pode ser identificado utilizando mapas adequados de prefer ncia mapas isoventos visitas ao local e ainda a utiliza o de um software que fa a a modela o do comportamento do vento ex urbanWIND Estes procedimentos permitem realizar uma primeira estimativa do recurso e lico do local Assim a efici ncia da micro turbina e lica depender de um par de factores Vento no local a velocidade do vento e consequentemente a efici ncia da micro turbina e lica variam consoante a sua localiza o Assim antes da instala o da turbina deve ser determinada a velocidade m dia do vento no local atrav s da monitoriza o por um anem metro ou da recolha dos dados da esta o meteorol gica mais pr xima para prever o potencial da mesma Envolvente do edif cio exist ncia de rvores edif cios ou outros objectos mais altos que o da ins
28. para o maior valor aproximado das sec es transversais standard dispon veis no mercado 2 5mm 4mm 6mm 10mm 16 mm 25mm 35mm Cabos de liga o do inversor rede receptora Para o c lculo da sec o transversal do cabo de alimenta o AC assume se uma queda de tens o m xima admiss vel na linha de 3 relativamente tens o nominal da rede A sec o transversal do cabo AC para uma instala o monof sica calculada da seguinte forma 2xL X Lac XCOSP Sac mm 3 XU x XO Para uma instala o trif sica basta alterar o 2 por RE Na f rmula Lc m o comprimento do cabo do ramal Vy V e L 4 que representam respectivamente a tens o nominal na rede e a corrente nominal AC do inversor e o m Q x mm a condutividade el ctrica O resultado obtido em Sc mm arredondado para o valor mais pr ximo da sec o de cabo standard dispon vel As perdas s o determinadas a partir da seguinte f rmula 2xNxL xl Perdas c W eat C AA 3 E Ad AC O cabo de liga o de corrente alternada liga o inversor rede receptora atrav s do equipamento de protec o No caso dos inversores trif sicos a liga o rede de BT efectuada com um cabo de cinco p los Para os inversores monof sico s usado um cabo de tr s p los 76 Equipamentos de Protec o AC Disjuntores s o aparelhos de protec o contra sobreintensidades que podem voltar a ser rearmad
29. poder alterar profundamente o conceito global de um sistema el ctrico de distribui o de energia at hoje vigente Na figura 1 apresentada uma projec o da evolu o da capacidade instalada para a MG nos pr ximos anos MW 200 160 At 165 MW em 2015 100 50 0 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Figura 1 Evolu o da capacidade instalada para a MG at 5 75 kW MEI 2007 O previs vel aumento significativo de sistemas de MG nas redes de distribui o levar cria o de um novo paradigma de explora o e utiliza o de energia Deste modo necess rio avan ar com alguns alertas e propostas para o melhoramento das condi es de explora o A tecnologia que foi objecto de estudo neste trabalho foi a microgera o e lica Antigamente a aus ncia de regulamenta o para o mercado de micro turbinas e licas fez com que o desenvolvimento deste tipo de tecnologia n o crescesse t o rapidamente como as turbinas de grande porte Al m disso a maioria das interfaces de liga o como rectificadores e inversores s o projectados para utilizar sistemas de produ o de energia 18 fotovoltaica Com esta nova legisla o segundo as previs es da INTELI Intelig ncia em Inova o prev se os seguintes potenciais investimentos associados MG Micro edlica em 100 000 casas at 2020 Solar t rmico em 350 000 casas at 2020 amp Investimento potencial em MG superior 1 200 m
30. Al m disso os aerogeradores s ncronos dado que est o ligados rede atrav s de uma unidade de rectifica o ondula o permitem que algumas flutua es do vento sejam filtradas No entanto por terem excita o independente no caso de ocorrer um curto circuito a excita o continua alimentar a m quina e esta contribui para o aumento de intensidade de corrente em regime transit rio Ackermann 2005 Gerador S ncrono de manes Permanentes muitos artigos t cnico cientificos t m sugerido a aplica o de geradores s ncronos de manes permanentes PMSG em turbinas c licas devido s suas propriedades de auto excita o o que permite uma opera o com elevado factor de pot ncia e elevada efici ncia Ackermann 2005 A arquitectura de um sistema de convers o de energia e lica a velocidade vari vel utilizando um PMSG 42 accionado directamente pela turbina ligado rede receptora atrav s de um conversor de frequ ncia representa uma solu o vi vel na explora o da energia e lica No entanto os materiais usados para fabricar manes permanentes s o bastantes dispendiosos Al m disso a utiliza o deste tipo de m quinas requer o uso de conversores electr nicos de pot ncia com o objectivo de ajustar a tens o e a frequ ncia da produ o para a tens o e a frequ ncia de transmiss o Outra desvantagem que os materiais magn ticos s o sens veis temperatura por exemplo durant
31. E E EE E EE A E 19 CAPITULO a E O a Da ce aaae 21 RECUISO E E A EE le E E E tases eaccens a 21 DW RECUO CONIC O sau gena pan don di E pa aa O acacia 21 Zell Cora o do vento janta pai da aaa as Copa Ra eira a 22 2 1 2 Factores que influenciam a direc o dos ventoS sesessesessesssrerersosseserseseeser 24 Deos GAl Portici s de Vento suas lose a nes Sade nia lool ie 26 Za Tecno ooo CA sas Sara a a e RN 29 Za FOr pata read dO CO ASR E O AA a Soca 33 Deo CACO sara ai A A RUA a A EO ee de A a RU CA ORAR ace 39 20s Mecanismo de Controlo ator aos a a LAS lia ed DE Aa Ea 44 2 dedo Controlo de passo MRO Stal Control asas atesta a ON 44 2 5 2 Controlo de passo vari vel Pitch Control saia aid rs rajadas 45 2 0 Interlica o comi a Tede ass Snes dobrada a GRAAL DADOS RAS aa a west nd RA ies 4T Dele AS Micro turbinas FOCA ees N ea eee 47 2ds Tecnologias e licas para a MCrOSCLA O giasunarospasae a EEST E A 47 COCO aa E a E aaa 50 Caracteristicas d INStalaC an sunitas dass E TA E A T a 50 3 1 O potencial e lico em ambiente urbano sass en Soon ieee eee aes 50 3 2 Caracteristicas especiais do Vento vzix cersccsk eiitecudecheet ei a a a a A 50 P DEL O E E E E N 51 Date METI OCS eI eea a TATE 52 Sia Aeaaeai a 53 3 3 Escolha do local de instala o de um aerogerador s sssssseseseseseseserererersrsrseseseses 54 Dadas Pol dosye Oea ENT 57 3 3 2 Modelos f sicos e modelos NUM TiCOS ssesensesesesoes
32. Energia e Geologia DL Decreto Lei Cp Coeficiente de Pot ncia CFD Computacional Fluid Dynamic CA Corrente Alternada CC Corrente Continua IP Indice de Protec o xil CAPITULO 1 Introdu o 1 1 Caracteriza o do problema Nos dias de hoje n o h nenhuma pol tica econ mica s ria que n o atenda quest o das altera es clim ticas provocadas pelo efeito de estufa criado por emiss es excessivas de di xido de carbono O mesmo se aplica por maioria de raz o pol tica de energia Acabou definitivamente o tempo em que se pensava que o equil brio ambiental era contradit rio com uma estrat gia de crescimento da economia MEI 2007 A pol tica europeia de energia aponta como prioridades a cria o de mercados competitivos e a necessidade de redu o de emiss es de CO MEI 2007 Portugal um pa s com escassos recursos energ ticos n o renov veis aqueles que asseguram a generalidade das necessidades energ ticas da maioria dos pa ses desenvolvidos como o petr leo o carv o e o g s Tal situa o de car ncia conduz a uma elevada depend ncia energ tica do exterior 87 2 da energia consumida em Portugal em 2005 foi proveniente do estrangeiro Totalmente dependente das importa es de fontes prim rias de origem f ssil importa urgentemente ampliar a contribui o das energias h drica e lica solar geot rmica biog s de lenhas e res duos Portugal es
33. Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Electrot cnica Mestrado em Engenharia Electrot cnica Sistemas El ctricos de Energia ESTUDO T CNICO RELATIVO INSTALA O DE MICRO E LICAS EM EDIF CIOS URBANOS PARA MICROPRODUCAO DE ENERGIA EL CTRICA Ricardo Jorge Outor Castro Faria Orientador Professor Doutor Cust dio Jo o Pais Dias NOVEMBRO 2010 RESUMO O Planeta Terra tem vindo a ser fustigado pelas altera es clim ticas resultado da polui o ambiental provocada pelo Homem Com o objectivo de minimizar estes efeitos delet rios os pa ses mais desenvolvidos estabeleceram compromissos relativamente s emiss es de gases com efeito de estufa tendo por base o Protocolo de Kyoto A iniciativa Renov veis na Hora uma das medidas previstas no plano para a pol tica de energia e altera es clim ticas apresentado em Fevereiro de 2008 pelo Minist rio da Economia e da Inova o Portugu s Actualmente em Portugal existe um mercado emergente para a microgera o que se rege segundo a legisla o aplicada recentemente que estabelece o novo regime jur dico aplic vel produ o de energia por interm dio de unidades de microprodu o Esta iniciativa levar cria o de um novo paradigma de explora o e utiliza o de energia Deste modo fundamental avan ar com alguns alertas das condi es de explora o A energia e lica umas das fontes reno
34. Paras as instala es de microgera o expostas ao risco de rel mpagos dever o ser usados cabos blindados Os cabos devem ser encaminhados de modo a que a sua integridade mec nica nunca seja posta em causa PEREIRA 2010 74 gt Caracter sticas t cnicas dos cabos DC Tens o nominal UN 300 a 1000V amp Resist ncia a temperaturas de 10 C Corrente admissivel IZ amp De acordo com a norma IEC 60364 7 712 deve ser IZ 1 25 Tne p lio protegido contra falhas terra e contra CC Condi es Ambientais amp Suportar temperaturas superiores a 70 C amp Resist ncia aos raios UV se instalado no exterior Queda de Tens o amp A queda de tens o Max De 1 para sistemas ligados rede amp Quando s o dist ncias muito grandes e quando s o tens es baixas lt 120V CC assume se uma queda de tens o pr xima dos 3 gt Calculo da sec o pelo m todo da queda de tens o A f rmula a usar a que j foi anteriormente referida atr s B 2x pe 2 Dine mm E 1 xU pc Xo 2 2 Onde Sp pcsec o do cabo em mm Lpccomprimento do cabo Ipc a corrente nominal proveniente do rectificador o a condutividade do condutor se o condutor for em cobre o valor de o 56m Q mm e Upc o valor da tens o proveniente do rectificador O factor 2x prende se com o facto de ser um condutor de ida e volta 19 O valor calculado para a sec o transversal do cabo principal em DC arredondado
35. Quadro de Entrada CC Contador de Consumo CP Contador da unidade de microprodu o acess vel ao distribuidor SF Seccionador porta fusiveis unipolar neutro PC P Portinhola de Consumo Produ o Figura 21 Liga o RESP de uma unidade de consumo de uma instala o nova JAPP 2009 81 Renov veis na hora Solu o B Clientes BTN Instala es existentes Solu o Altemativa Liga o a ramal subterr neo Cabo H05 Ex FVV LEGENDA ACE Aparelho de Corte de Entrada QE Quadro de Entrada CC Contador de Consumo CP Contador da unidade de microprodu o acess vel ao distribuidor SF Seccionador fus vel unipolar neutro ae I PCIP Portinhola de Consumo Produ o Ramal subterr neo existente Nota A Portinhola existente PC transformada numa caixa de passagem LR 003 09 08 Figura 22 Liga o RESP de uma unidade de consumo de uma instala o existente JAPP 2009 Em casos excepcionais pode se proceder liga o do contador de consumo ao contador de produ o sendo depois a partir deste efectuada a liga o portinhola de consumo como se pode observar na figura 23 Neste caso a sec o dos condutores de interliga o do contador de produ o ao contador de consumo deve ser dimensionada para a pot ncia m xima admiss vel da instala o de consumo De notar nesse caso que o seccionador fus vel referente produ o encon
36. a ser efectuada por telecontagem e para tal s o utilizados os seguintes equipamentos 83 1 Modem GSM FARGO MAESTRO 100 Figura 24 Modem GSM MAESTRO PEREIRA 2010 2 Fonte de alimenta o externa modelo NES 15 12 to Maestro Fuse rating 20V 2 5A Figura 25 Fonte de alimenta o externa PEREIRA 2010 3 Antena externa modelo AM 04 900 1800 MHz 4 5 amp 6 5 dBi SMA External antenna Magnetic mount type Frequency GSM 900 1800 band Gain 3db VSWR lt 1 51 Height 236 mm including magnetic base Cable Type RG 174U length 2 5m SMA male connector on cable end color back SMA connector silver Figura 26 Antena externa PEREIRA 2010 5 32V DC Supply 84 CAPITULO 4 Software de aplica o Um dos objectivos desta tese era realizar um software de aplica o para apoio ao projecto de uma instala o e lica num edif cio urbano Para isso foi desenvolvido um software em linguagem JAVA utilizando um software freeware NETBEANS onde foi realizado o c digo Para a realiza o do programa foi utilizado uma base de dados fornecida pelo Instituto de Meteorologia IP Portugal que cont m os dados da velocidade m dia a altura de medi o Para sabermos qual a pot ncia anual produzida o utilizador ter de introduzir alguns dados do aerogerador que pretende instalar Em baixo apresentado o layout do programa 6 Simulator E j
37. acterizar o recurso o tempo m nimo de medi es a considerar dever ser de um ano Conv m referir ainda que quanto maior for o tempo de medi o do vento maior ser a fiabilidade das previs es A express o matem tica da fun o densidade de probabilidade de Weibull f u Nk Ro e a k u c e f m gt C C Em que u a velocidade m dia do vento c um par metro de escala com as dimens es de velocidade e k um par metro de forma sem dimens es Castro 2009 A velocidade m dia anual do vento Uu calcula se atrav s de a Uia rf t k Nesta equa o I representa a fun o GAMA apresentada a seguir D x fred x gt 0 0 A fun o de distribui o encontra se representada seguidamente e caracteriza a probabilidade da velocidade do vento assumir um determinado valor u f m i fydi te t gt 0 Quando apenas dispomos do valor da velocidade m dia anual de um local podemos usar a distribui o de Rayleigh k 2 para definir a distribui o do vento desse local CAMUS 2007 28 Sabendo que 2 2 Tecnologia E lica As turbinas e licas tamb m conhecidas por aerogeradores t m por fun o transformar a energia cin tica do vento em energia mec nica e consequentemente em energia el ctrica CEETA 2001 Sendo a energia dada pelo produto da pot ncia pelo tempo a pot ncia que o vento transfere turbina pode ser calculada pela seguinte e
38. adamente ao n vel da qualidade do sinal el ctrico injectado na rede na propaga o de harm nicos factor pot ncia desvio da tens o frequ ncia fase e no esquema de protec o anti islanding utilizado A protec o anti islanding esta integrada no inversor e consiste num aparelho 62 que corta automaticamente a liga o entre o sistema de produ o e a rede caso seja detectada alguma anomalia na rede A protec o de interliga o visa impedir a introdu o de perturba es na rede por parte do gerador e minimizar assim o risco de acidentes que possam ser originados pelo funcionamento do gerador em paralelo com a rede Para efectuar este tipo de protec o poder o ser utilizados dispositivos ENS MSD que garantem uma monitoriza o cont nua e corte autom tico da liga o rede Estes dispositivos podem vir integrados no pr prio inversor estando tamb m dispon veis em unidades separadas A utiliza o os dispositivos ENS MSD n o dispensam uso de um sistema de corte de seguran a de comando manual para que se possam efectuar os trabalhos de inspec o manuten o e de repara o requerido que o aumento da tens o no ponto de interliga o seja inferior a 1 de modo a que a varia o provocada na tens o da rede atrav s da liga o do gerador seja m nima e n o provoque perturba o significativa PEREIRA 2010 Contador O contador dever ser instalado num local pass vel de ser consult
39. ado de prefer ncia perto dos meios de isolamento el ctrico Este contador permitir conhecer o valor da energia produzida pelo sistema e lico bem como a ocorr ncia de defeitos O contador que mede a energia entregue rede p blica independente do contador que faz a contagem da energia consumida A aquisi o e instala o do contador de produ o s o da responsabilidade do produtor sendo selado pelo distribuidor 63 Portinhola A constru o da portinhola dever ser efectuada consoante a DMA C62 815N A portinhola designada por PC P possui na sua constitui o dois circuitos de protec o sendo um trif sico destinado protec o da instala o de consumo do microprodutor e um circuito monof sico para protec o da instala o de microprodu o sendo este ltimo dotado de duas bases de fus veis cil ndricos tam 10x38 em que uma base para o neutro e a outra para a fase A portinhola dever funcionar perante as condi es de servi o estipuladas Tens o nominal 230V entre fase e neutro e 400V entre fases frequ ncia 50Hz admitindo se uma varia o da tens o e da frequ ncia de acordo com o estipulado na norma NP EN50160 A corrente nominal dever ser no m ximo de 100A no circuito de instala o de utiliza o e 25A no circuito da unidade de microprodu o correspondendo este ltimo a uma liga o de uma unidade de produ o de 5 75kW A portinhola dever ser fabricada segundo a norma
40. cidade relativa do vento Estes mecanismos s o detalhados em diversos documentos QUASCHNING 2005 MANWELL 2009 Os rotores que giram predominantemente sob o efeito de for as de sustenta o permitem adquirir mais pot ncia do que aqueles que giram sob efeito de for as de arrasto para a mesma velocidade de vento As turbinas de eixo horizontal aerogeradores convencionais s o predominantemente movidas por for as de sustenta o e devem possuir mecanismos capazes de permitir que o c rculo formado pelo movimento de rota o das p s esteja sempre numa posi o perpendicular ao vento estes mecanismos podem ser t o simples como um vulgar cata vento Este tipo de turbinas podem ser constitu das por um conjunto de duas ou tr s p s r gidas que podem assumir variadas formas e ser constru das a partir dos mais diversos 33 materiais sendo os mais utilizados os alum nio a fibra de vidro refor ada e a madeira DUTRA 2007 Os principais elementos que comp em o sistema com turbinas horizontais s o Rotor Caixa multiplicadora Eixo de alta velocidade Mancal de posicionamento e sistema de posicionamento Torre Sensores controlo e sistemas de comunica o Rotor O rotor de uma turbina composto por um certo n mero de p s acopladas a um eixo central Geralmente as p s s o fabricadas em fibra de vidro refor ada ou madeira laminada revestida com resina O eixo central habitualmente fabricado em
41. cio um painel solar t rmico A pot ncia que tem contratada de 10 35 kVA Sabe se que a dist ncia onde vai ficar a mini e lica e o local onde se pretende ter os componentes de controlo de 6m Resolu o Condi es Gerais Atrav s do Decreto Lei 363 2007sabemos que para o regime bonificado a quantidade de energia el ctrica produzida n o poder ultrapassar os 50 da potencia contratada e ter um m ximo de 3 68 kW vamos de seguida verificar qual a potencia m xima que o cliente pode produzir P a Po X50 P a 10 35x50 lt gt P a 3 68kW prod cont Podemos verificar que a pot ncia m xima a injectar na rede P a de 3 68kW amp Dimensionamento e selec o da turbina e lica Foi realizada uma medi o do vento durante 1 ano e chegou se conclus o que a velocidade m dia anual no local de instala o de 3 89m s Esta velocidade foi determinada atrav s da instala o de um anem metro a 10m de altura Escolha da turbina e lica No sistema em an lise ser utilizado um micro aerogerador com uma pot ncia de 3 kW da empresa JBornay Vamos verificar as caracter sticas do aerogerador Performance lO 12 14 16 18 amp Wind speed mis Figura 28 Curva da caracter stica do aerogerador Atrav s da an lise do gr fico da figura 27 verificamos que este micro aerogerador atinge a pot ncia de 1200 W a 6m s Este micro aerogerador apresenta as seguintes caracter
42. ctrica nacional de BT Protec o contra descargas directas O sistema de microgera o na maioria dos casos n o contribui para o aumento de risco de ocorr ncia de descargas atmosf ricas directas Como tal n o se torna for osa a instala o de um sistema de protec o adicional quando a instala o do sistema ocorre num edif cio que j se encontra protegido No entanto perante um sistema de grande dimens o e instalado no ponto mais alto de um edif cio sujeito a uma forte exposi o poder ser necess ria a instala o de um sistema de protec o pr prio A estrutura de suporte do aerogerador al m de elemento condutor poder se considerada como um captor natural de descargas atmosf ricas pelo que deve ser ligado a um condutor de terra Conv m tamb m referir que a interliga o do terminal de terras TPT com a liga o da torre do aerogerador terra s poss vel se o valor da resist ncia de terra for inferior ou igual a 100 tamb m obrigat ria a instala o de uma protec o diferencial na liga o do inversor ao contador no caso da microprodu o e se o inversor n o for dotado de transformador na sua constru o Por raz es de seguran a devem existir avisos de PERIGO DE TENS O na entrada do inversor O sistema de protec o ser constitu do por um dispositivo de capta o um condutor de cobre de sec o m nima de 16mm para escoar a descarga a um sistema de liga o ter
43. da que a desacelera o o anem metro de copos actualmente o tipo de anem metro mais divulgado Os anem metros s nicos oferecem a possibilidade de fornecer simultaneamente a direc o e velocidade do vento permitindo recolher dados relativos turbul ncia A elevada frequ ncia a que estes anem metros amostram os dados contrap e a sua grava o de modo descont nuo de modo a n o preencher rapidamente os sistemas de armazenamento de dados A desvantagem destes anem metros o seu elevado pre o Figura 14 Anem metro S nico Castro 2009 A medi o efectuada pelos anem metros d se atrav s de uma tens o vari vel proporcional velocidade do vento Os anem metros requerem uma calibra o pr via sendo aconselh vel recalibr los durante longos per odos de utiliza o Nos sensores de direc o a direc o do vento determinada atrav s de uma tens o proporcional sendo usualmente a tens o m xima obtida para norte relativamente ao corpo do instrumento requerendo assim que o sensor seja previamente posicionado de modo correcto Os dados obtidos s o enviados para um sistema de armazenamento de dados 56 3 3 1 Perfil dos ventos As medi es efectuadas da velocidade m dia e direc o do vento s o registadas em tabelas gr ficos de frequ ncias ou rosas dos ventos Na figura 15 apresentam se duas rosas dos ventos divididas em 12 sec es de 30 englobando dados referentes a medi es efect
44. de vento onde se reproduzem condi es de vento com padr es de comportamento semelhantes s do local A realiza o destes ensaios permite caracterizar o vento em diversos s tios e a diferentes alturas identificando problemas relacionados com o escoamento em terreno complexo e com a turbul ncia Esta t cnica permite obter resultados em algumas semanas embora a constru o dos modelos e a utiliza o do t nel sejam actividades dispendiosas Castro 2009 O desenvolvimento verificado nos computadores tornou poss vel a op o de recorrer a modelos num ricos para analisar o vento num local Castro 2009 Nestas situa es a caracteriza o do recurso normalmente realizada atrav s de uma aplica o em modelos de microescala ex WASP em conjunto com resultados de modelos mesoscala metodologia que utilizando modelos que n o s o adaptados a ambientes urbanos podem apresentar validade pontual O recurso a modelos CFD computacional fluid dynamic constitui actualmente o estado da arte na modela o do comportamento do vento em redor das cidades ou de edif cios No entanto aplica o destes modelos implica um elevado custo sobretudo quando se pretende modelar uma cidade inteira devido complexidade da geometria exigida elevado numero de pontos que constituem a malha do dom nio a simular e exigindo assim o recurso a computadores com uma elevada 58 capacidade de c lculo para obten o de resultados de qualidade fide
45. digna ESTANQUEIRO amp SIM ES 2010 3 4 Componentes de um sistema micro e lico para liga o rede A figura 16 mostra nos os diversos componentes que fazem parte de um sistema ligado rede Aerogerador Inversor _ Contador de venda Contador de consumo Rede El trica Figura 16 Esquema Unifilar de uma instala o de microgera o liga rede PEREIRA 2010 59 Aerogerador A maioria das microe licas utiliza geradores manes permanentes Este gerador mais simples e robusto e muito aproximado ao modelo ideal para as micro e mini e licas Uma das caracter sticas mais not veis de alguns geradores de manes permanentes usados pelos fabricantes de mini e licas o seu desenho invertido ou seja a carca a na qual os manes est o montado tamb m chamada de cartucho magn tico roda por fora do estator que a parte estacion ria do gerador Nesta configura o as p s podem ser aparafusadas directamente na carca a o que ocorre a maior parte das vezes Outro benef cio desta configura o que a for a centr fuga pressiona os manes contra a parede da carca a A maioria dos geradores para as microe licas produzem corrente alternada trif sica para se poupar espa o dentro da carca a do gerador A utiliza o dos geradores de manes permanentes pode originar alguns problemas nas micro e licas que funcionam com ventos mais baixos devido ao rotor estar parado Os geradores d
46. do ar Com esta redu o do ngulo de ataque alteram se as for as actuantes no sentido de uma redu o da extrac o de pot ncia do vento por parte da turbina O ngulo de ataque das p s da turbina determinado de 45 forma que para todas as velocidades do vento a turbina opere pot ncia nominal QUASCHNING 2005 Sob todas as condi es de vento o fluxo de ar em torno do perfil da p bem aderente sua superf cie produzindo sustenta o aerodin mica a pequenas for as de arrasto Turbinas com controlo de passo vari vel s o mais sofisticadas do que as de passo fixo controladas por stall porque estas necessitam de um sistema de varia o de passo As turbinas com controlo de passo vari vel permitem um maior controlo de pot ncia activa injectada na rede para uma gama maior de velocidades de vento Para uma descri o detalhada deste tipo de mecanismos consultar MANWELL 2009 Este sistema para al m de ser um sistema mais complexo do que anterior possui uma desvantagem para ventos de maior velocidade Como o tempo de resposta do mecanismo de controlo n o instant neo surgem pequenas varia es na gera o instant nea de pot ncia activa em torno do valor da pot ncia nominal Mais recentemente surgiu uma concep o que mistura os mecanismos de controlo de passo fixo e vari vel denominado active stall control Para ventos de velocidade reduzida as p s giram igualmente em torno do seu eixo long
47. do solo em altitudes elevadas da ordem da grandeza do quil metro exerce uma pequena influ ncia sobre o vento No entanto nas camadas mais baixas da atmosfera a velocidade do vento afectada pela fric o com a superf cie terrestre Quanto maior a rugosidade do terreno maior ser a perda da energia do vento ou seja em grandes aglomerados habitacionais e zonas densamente arborizadas h um maior entrave passagem do vento Pelo contr rio em zonas mais abertas como reas agr colas vales plan cies a influ ncia sobre a passagem do vento menor COSTA 2006 32 2 3 Turbinas E o componente do sistema e lico respons vel por captar a energia cin tica do vento A configura o da turbina influenciar directamente o rendimento global do sistema As turbinas e licas podem ser classificadas segundo orienta o do seu eixo Turbinas de eixo horizontal Os rotores de eixo horizontal s o as mais comuns e grande parte da experi ncia mundial est voltada para a sua aplica o Segundo alguns especialistas QUASCHNING 2005 estes s o movidos por for as aerodin micas chamadas de for as de sustenta o lift e for as de arrasto drag Um corpo que obstrui a passagem do vento sofre a ac o de for as que actuam segundo uma direc o perpendicular ao escoamento for as de sustenta o e de for as que actuam segundo a direc o do escoamento for as de arrasto Ambas s o proporcionais ao quadrado da velo
48. e de vento E E Er E ET Wind Speed 04 O08 10 Turbine Speed n m Figura 5 Energia el ctrica em fun o da velocidade angular de um aerogerador Diferentes curvas para diferentes velocidades do vento Muller 2002 30 Podem ser definidos um coeficiente de pot ncia e um coeficiente de bin rio para cada turbina e lica proporcionais energia cin tica de massa de ar que flui atrav s do plano do rotor Para cada rotor o coeficiente de pot ncia C determinado pelo desenho das p s A pot ncia m xima aproveit vel pelo aerogerador corresponde teoricamente a 59 da pot ncia total cedida pelo vento isto a C 0 59 QUASCHNING 2005 Na realidade a pot ncia total fornecida pelo vento ainda menor devido s perdas aerodin micas e mec nicas nos aerogeradores A rela o entre a velocidade linear m s da extremidade da p da turbina de raio R m rodando velocidade rad s e a velocidade do vento v m s caracterizada por um factor adimensional conhecido por raz o de velocidades na p ou velocidade espec fica na ponta da p 4 Castro 2009 R jo y As turbinas e licas s o projectadas para gerarem a m xima pot ncia a uma determinada velocidade de vento Esta pot ncia denominada pot ncia nominal e a velocidade do vento a que ela atingida designada velocidade nominal do vento COSTA 2006 Area de varrimento da turbina A
49. e manes permanentes t m o inconveniente de quando os manes est o alinhados com os enrolamentos do Estator o eixo poder bloquear criando assim uma resist ncia ao movimento entre eles e para resolver esta situa o decidiu se inclinar os manes GIPE 2000 Rectificador A corrente proveniente do gerador trif sica e alternada e necessita de ser rectificada ent o utiliza se um rectificador trif sico de ponte completa 60 T Figura 17 Liga o de um aerogerador a um rectificador trif sico de ponte completa PEREIRA 2010 necess rio que a tens o de ripple proveniente do rectificador n o exceda os 10 Alguns fabricantes incluem o rectificador integrado na turbina sendo na maior parte das vezes adquirido separadamente Os fabricantes dos inversores costumam incluir os valores das grandezas de entrada referentes tens o e corrente ap s a sa da do rectificador PEREIRA 2010 Caixa de Jun o No caso de se instalar mais do que uma micro e lica a caixa de jun o ser utilizada para ligar paralelamente as v rias e licas Esta caixa de jun o situa se logo a seguir ao rectificador no caso de ser usada apenas uma micro e lica e pode se situar num ponto interm dio caso queiramos ligar mais do que uma micro e lica No interior desta caixa poss vel encontrar as liga es das e licas o cabo principal DC bem como os terminais de liga o do aparelho de corte Instala s
50. e frequentemente um descarregador de sobretens es para terra no qual exigir uma liga o equipotencial ou condutor de terra ligado caixa A caixa dever possuir uma protec o de classe II 61 resist ncia a choques mec nicos e ter no seu interior os terminais positivo e negativo separados Caso a instala o da caixa seja no exterior esta dever ter no m nimo IP54 e ser resistente aos raios UV Controlador de tensao necess rio incluir um controlador de tens o equipado com uma carga de deriva o que ir proteger o inversor contra as sobretens es As sobretens es podem ocorrer perante grandes velocidades de rota o aquando os ventos fortes e quando um aumento da velocidade da turbina pode desligar o inversor da rede A carga de deriva o apresenta se como um elemento necess rio para onde enviada a sobretens o de modo a reduzir a velocidade e consequentemente o valor da tens o Inversor O inversor permite estabelecer a ponte entre a microe lica e a rede transformando a corrente continua proveniente do rectificador em corrente alternada mas encontrando se de acordo com a frequ ncia e n vel de tens o da rede a que se pretende ligar sendo para efeitos de micro gera o respectivamente 50Hz e 230V Para isso ser poss vel podem se encontrar transformadores de isolamento em alguns inversores comercializados Liga o rede A liga o de uma unidade produtora requer v rios cuidados nome
51. e um defeito o man pode perder as suas qualidades magn ticas devido s elevadas temperaturas Portanto a temperatura do rotor das m quinas de manes permanentes dever ser controlado recorrendo a um sistema de arrefecimento No entanto a vantagem que este tipo de sistema pode produzir energia el ctrica a qualquer velocidade Neste sentido este tipo de m quinas poder assumir um papel relevante na aplica o em sistemas de aproveitamento e lico O estator dos PMSG bobinado e o rotor constitu do por um sistema de p los de manes permanentes que podem ser p los cil ndricos ou salientes Estes ltimos s o os mais comuns em m quinas de baixa velocidade e poder ser o mais recomendado para aplica o em sistemas e licos Ackermann 2005 Para a liga o directa do gerador rede receptora necess rio garantir que as frequ ncias nominais da m quina e da rede sejam as mesmas e ainda que o gerador seja capaz de amortecer convenientemente as oscila es para que o funcionamento seja est vel Para tal necess rio um n mero elevado de p los por exemplo para um gerador com uma velocidade nominal de 32 rpm s o necess rios 188 p los 43 2 5 Mecanismo de Controlo Os mecanismos de controlo destinam se orienta o do rotor ao controlo de velocidade ao controlo da carga etc Pela multiplicidade de controlos existe uma enorme variedade de mecanismos que podem ser mec nicos veloc
52. ecto de instala o de turbinas Castro 2009 ol 3 2 2 Efeito esteira Outro aspecto a considerar o chamado efeito de esteira Uma vez que uma turbina e lica produz energia mec nica a partir da energia do vento incidente o vento que sai da turbina tem um conte do energ tico muito inferior ao do vento que entrou na turbina De facto na parte de tr s da turbina forma se uma esteira de vento turbulento e com velocidade reduzida relativamente ao vento incidente A Figura 10 foi obtida injectando fumo branco no ar que passa atrav s da turbina para mostrar a situa o que se descreveu Castro 2009 Figura 10 Efeito de esteira Castro 2009 por esta raz o que a coloca o das turbinas dentro de um parque e lico tem de ser efectuada de modo criterioso Figura 11 habitual espa ar as turbinas de uma dist ncia entre cinco e nove di metros na direc o preferencial do vento e entre tr s e cinco di metros na direc o perpendicular Mesmo tomando estas medidas a experi ncia mostra que a energia perdida devido ao efeito de esteira de cerca de 5 Castro 2009 52 Figura 11 Coloca o das turbinas num parque e lico Castro 2009 3 2 3 Cisalhamento O cisalhamento do vento consiste num efeito de corte isto a velocidade do vento diminui com a proximidade do solo Como tal a turbina de um aerogerador encontra se sujeita a diferentes for as consoante se encontra mais ou
53. entado o intervalo da Pot ncia do Inversor para o qual o utilizador dever escolher o inversor a utilizar na instala o ap s a consulta aos diversos fabricantes 88 CAPITULO 5 Conclus o A produ o de energia e lica em Portugal apresenta um desenvolvimento consider vel podendo se verificar no final do ano de 2009 que a pot ncia e lica ligada ao SEN era de 20 REN 2010 No entanto a aplica o da energia e lica no panorama da microgera o encontra se pouco divulgada estando no presente momento a decorrer v rios estudos e desenvolvimentos tecnol gicos para facilitar uma poss vel expans o do aproveitamento deste recurso A dificuldade de expans o deste tipo de aproveitamento para microgera o prende se ao facto de existirem diversos factores adversos como por exemplo a dificuldade de se obter um mapeamento do recurso e lico na cidade a inexist ncia de modelos de comportamento do vento nas coberturas e ainda o facto do pre o de um anem metro para medir o vento ser equivalente ao de uma e lica Os aerogeradores a utilizar em ambiente urbano t m de ser concebidos para esse efeito Estes t m de ter um design que n o prejudique a arquitectura do edif cio nem prejudique a paisagem que o rodeia No entanto a gama de fabricantes existentes de aerogeradores a utilizar num ambiente urbano pequena ESTANQUEIRO 2008 A montagem dos aerogeradores nos telhados dos edif cios um tema bastante controv
54. erso independentemente do tamanho dos aerogeradores devido ao facto de que todos os aerogeradores vibram e transmitem vibra es s estruturas onde est o montados Todos os telhados criam uma forte turbul ncia que diminui a vida do aerogerador Mesmo que exista um sistema de amortecimento que fa a o isolamento do aerogerador estrutura n o se consegue evitar a turbul ncia e ligeira vibra o proveniente do aerogerador o que poder danificar a estrutura do edif cio GIPE 2000 89 A maior parte das turbinas desenhadas para a integra o em edif cios n o ultrapassa os 10kW de pot ncia visto que para se atingir maiores pot ncias seriam precisas grandes turbinas dificultando assim a sua integra o RAVARA BELLO 2009 Com todas estas abordagens h uma variedade de quest es que precisam ser resolvidas para a instala o de e licas em ambiente urbano Estas incluem a simplifica o da liga o rede quest es de planeamento bem como desenvolver aerogeradores de alta fiabilidade m nima vibra o modo de funcionamento silencioso e seguro e baixa manuten o Para haver um largo interesse na utiliza o desta energia renov vel ter de existir uma significativa redu o no pre o dos aerogeradores Quando isso acontecer poder haver um aumento substancial da instala o de micro turbinas em edif cios que poder ter um papel importante a desempenhar na redu o das emiss es de CO dos edif cios ooo ep
55. essesersessssessrsessrsersessosersrserses 58 3 4 Componentes de um sistema micro e lico para liga o rede 59 3 9 Dimensionamento tipo para um sistema de produ o de energia a partir de mini Bolicas Corn Ca o A TOdO Loree cuisine Dag a ca ed rn ia UE o 65 Booed Condi es Gea ata ra nbr drag Das a Sie E ra nb ra a 65 3 9 2 Dimensionamento e selec o da turbina e lica s e sesesesssnssssesesesesrsrereresesesess 65 vi E Ro Bisco hace ask bina COCA sa asdr es sds RO o ein sia Mune icc STA dO A A TA 66 3 5 4 C lculo da velocidade m dia do Vento para a altura da instala o 68 3 5 5 C lculo da pot ncia necess ria da turbina ccccccccccceececcecceceecceeceecaeeaeeeeeseeeenes 68 3 9 6 C lculo da pot ncia produzida anualmente cccccccccccceccecceceecececsseaeeecseeeeneenes 69 dor Dimensionamento do Recilicador scientists wate a eet lees 70 dd Dimensionamento do IN VELSOM ts sad basais Ud AG naeenemacenneess 71 3 5 9 Dimensionamento de cabos DC e AC ou cecieccccccceccnecceeeceeeceeecaeeeseecaeeeaeeeseeeneeenes T2 3 5 10 Dimensionamento do interruptor AC de isolamento do aerogerador q 3 5 11 Protec o contra descargas atmosf ricas nos sistemas ligados rede el ctrica nacional de DT sw wissrascstasnshrerebresasnadavwrerbudensbaeussbedelumseeumecteanes Ldrcabreralncs a e eaea 18 3 9 12 Liga o terra dos componentes do sistema de microgera
56. et for micro generation due to the recent law that establishes a legal rule applicable to energy production through micro units This initiative will lead to the creation of a new paradigm of explortation and use of energy on distribution network Therefore it is essential to do some alerts to the operating conditions The wind power is one renewable sources as the conversion efficiency can reach values of interest may be higher than 50 in certain regions and its potential is quite good particularly in coastal and mountainous areas The urban environment is impractical to install large wind towers but the micro production based on small wind turbines is quite possible and desirable The purpose of this work is a study of a technical nature about installing a mini wind farm in an urban building taking into account all the conditions wind speed obstacles in the area mounting height spacing between turbines Was developed a software that will help the choice of wind turbines and inverters for the kind of place where you want to install the wind farm Keywords micro generation small wind turbines micro production windturbines il AGRADECIMENTOS Ao meu Orientador o Professor Cust dio Dias pelos seus conselhos e orienta es que me transmitiu e que foram essenciais para o sucesso deste trabalho Gostaria de agradecer aos meus pais por todo o amor que sempre me deram pela educa o que me proporcionaram e por me ensinarem que
57. ficiente de arrasto e for a correspondente Portanto o bin rio desenvolvido sofrer um decr scimo em cada uma das p s Para evitar que o efeito de perda de velocidade ocorra em todas as posi es das p s ao mesmo tempo o que reduziria significativamente a pot ncia da turbina as p s apresentam uma pequena tor o longitudinal que as levam a uma atenua o deste efeito DUTRA 2007 Os aerogeradores com controlo de passo fixo em compara o com os aerogeradores com controlo de passo vari vel possuem as seguintes vantagens amp Inexist ncia de sistema de controlo de passo amp Estrutura de cubo do rotor simples Menor manuten o devido a um n mero menor de pe as m veis A maioria dos fabricantes utiliza esta possibilidade simples de controlo de pot ncia sendo a mais utilizada na concep o de aerogeradores de pot ncias reduzidas at aos 5 kW Este sistema necessita de uma velocidade constante do rotor geralmente dada pelo gerador de indu o directamente ligado rede 2 5 2 Controlo de passo vari vel Pitch Control O controlo de passo vari vel ou Pitch Control um sistema activo que normalmente necessita de um sinal de controlo do gerador de pot ncia Sempre que a pot ncia nominal do gerador ultrapassada devido a um aumento da velocidade do vento as p s da turbina giram em torno do seu eixo longitudinal ou seja as p s mudam o seu ngulo de passo para reduzir o ngulo de ataque do fluxo
58. idade passo freio aerodin micos posicionamento da turbina face ao vento ou electr nicos controlo da carga Os aerogeradores utilizam diversos princ pios de controlo aerodin mico para limitar a extrac o de pot ncia Os mecanismos de controlo s o designados de passo fixo stall e passo vari vel pitch No passado a maioria dos aerogeradores utilizava o sistema de passo fixo Entretanto com o aumento do tamanho das m quinas os fabricantes est o a optar pelo sistema de passo vari vel por este permitir uma maior flexibilidade na opera o das turbinas e licas Os aerogeradores com regula o de pot ncia por stall e pitch muito embora se comportem de forma muito semelhante do ponto de vista de liga o rede el ctrica estes mecanismos de pot ncia apresentam algumas diferen as no que diz respeito curva de pot ncia 2 5 1 Controlo de passo fixo Stall Control O controlo de passo fixo um sistema passivo que reage velocidade do vento As p s da turbina s o fixas de forma a formarem um dado ngulo com a direc o do vento n o podendo girar em torno de seu eixo longitudinal O ngulo de passo determinado para que as p s atrav s do seu perfil provoquem o deslocamento aerodin mico do fluido que as atravessa originando turbul ncia Esta turbul ncia ir se traduzir por uma diminui o do coeficiente de sustenta o e consequentemente da sua for a e por um aumento do 44 coe
59. ilh es de euros at 2020 em Portugal Portanto uma revis o das normas mais importantes ter de ser realizada para se poder definir uma liga o rede que cumpra todos os regulamentos 1 3 Estrutura da tese No cap tulo 2 efectua se uma breve descri o do processo de forma o do vento Ser o explicados os diferentes tipos de forma o do vento Tamb m feita uma descri o do princ pio de funcionamento e constitui o dos principais componentes do sistema produ o ME Foi elaborada uma revis o das tecnologias existentes no mercado e uma descri o dos mecanismos de liga o rede relativos aos sistemas ME No cap tulo 3 feita a refer ncia ao potencial e lico em ambientes urbanos s o referidas as caracter sticas especiais do vento que dever o ser consideradas quando se pretende instalar um aerogerador feita tamb m uma descri o das condi es que o local onde vai ser instalado o aerogerador deve ter e tamb m uma descri o dos componentes que constituem uma instala o de um sistema mini e lico No cap tulo 4 descreve se brevemente o software desenvolvido para ajudar a escolher o aerogerador mais adequado para o local de instala o No cap tulo 5 est o expostas as conclus es retiradas do trabalho 19 CAPITULO 2 Recurso e lico Este cap tulo apresenta o processo de forma o do vento Ser o explicados os diferentes tipos de forma o do vento O vento n o mais
60. itudinal como se passa no controlo de passo vari vel com o objectivo de alcan ar a m xima efici ncia Para velocidades de vento elevada as p s da turbina giram suavemente em torno do seu eixo longitudinal de forma a formarem um dado ngulo com a direc o do vento que determinado por forma a que para velocidades de vento superiores velocidade nominal o escoamento em torno do perfil da p do rotor descola da superf cie da p reduzindo as for as de sustenta o e aumentando as for as de arrasto PATEL 2006 46 Este tipo de sistema elimina as pequenas flutua es de pot ncia activa verificadas no controlo de passo vari vel As vantagens do sistema active stall control s o Necessidade de reduzidas mudan as no ngulo do passo amp Possibilidade de controlo da pot ncia sob condi es de pot ncia parcial baixas velocidades de vento 2 6 Interliga o com a rede Os sistemas ME s o dimensionados de acordo com a autonomia desejada Podem funcionar em rede isolada Neste caso exigem um sistema de armazenamento de energia para posterior abastecimento em alturas de escassez da fonte de energia prim ria Este tipo de sistemas poder igualmente ser ligado rede de distribui o em BT Nesta situa o poder n o ser necess rio um sistema de armazenamento de energia porque no caso de a produ o exceder o consumo o excesso vendido rede caso contr rio quando o c
61. m ser classificados como amp Al sios ventos que sopram dos tr picos para o Equador em baixas altitudes Contra Al sios ventos que sopram do Equador para os p los em altas altitudes amp Ventos do Oeste ventos que sopram dos tr picos para os p los Polares ventos frios que sopram dos p los para as zonas temperadas Estando o eixo da Terra inclinado 23 5 em rela o ao plano da sua rbita em torno do Sol varia es sazonais na distribui o de radia o recebida na superf cie da Terra originam varia es sazonais na intensidade e dura o dos ventos em qualquer local da superf cie terrestre Como resultado dessa varia o aparecem os ventos continentais ou peri dicos e compreendem as mon es e as brisas DUTRA 2007 As mon es s o ventos peri dicos que mudam de direc o a cada seis meses aproximadamente Em geral as mon es sopram em determinada direc o numa esta o do ano e em sentido contr rio na outra esta o DUTRA 2007 23 Em fun o das diferentes capacidades de reflectir absorver e emitir o calor recebido do Sol inerentes a cada tipo de superf cie tais como mar s e continentes surgem as brisas que se caracterizam por serem ventos peri dicos que sopram do mar para o continente e vice versa No per odo diurno devido maior capacidade da terra de reflectir os raios solares a temperatura do ar aumenta e como consequ ncia forma se uma corrente de ar que sop
62. nto utiliza o da energia el ctrica e sua integra o ou n o numa rede pr existente as pequenas turbinas e licas dizem se interligadas rede el ctrica quando disp em de um sistema que lhes permite entregar energia rede de distribui o e funcionando em regime isolado da rede quando operam sem o apoio desta necessitando normalmente de um sistema de armazenamento de energia el ctrica ESTANQUEIRO amp SIM ES 2010 48 CAPITULO 3 Caracter sticas de instala o 3 1 O potencial e lico em ambiente urbano O potencial e lico em zonas urbanas de caracteriza o dif cil devido presen a dos obst culos e estruturas naturalmente existentes nas cidades A sua presen a causa efeitos de separa o do escoamento redu o da velocidade do vento e turbul ncia elevada nas zonas acima e em redor dos edif cios Esta dificuldade refor ada pelos elevados custos das campanhas experimentais de medi o do vento as quais sendo utilizadas universalmente para caracteriza o do desempenho das grandes turbinas se v m inviabilizadas por motivos econ micos no caso das micro turbinas e licas facto que constitui uma importante barreira ao desenvolvimento de aproveitamentos urbanos da energia e lica ESTANQUEIRO amp SIM ES 2010 A dificuldade em recorrer caracteriza o experimental do vento leva a que se recorra a outras alternativas pese embora com imprecis o acrescida Entre as fontes po
63. o inversor Quando a caixa de jun o do gerador se encontra no exterior o referido cabo deve ser entubado de modo a garantir a protec o contra os raios UV Cabos DC Os cabos s o fornecidos frequentemente nas cores vermelha azul e preta de forma a permitir uma maior compreens o do desenho da instala o Seguidamente s o indicadas algumas caracter sticas mais usuais deste tipo de cabo e qual o cabo a utilizar neste tipo de instala es 73 Estabilidade Mec nica Compress o tens o tor o e dureza Resist ncia aos raios UV e ao ozono E num tra ado exterior desprotegido Resist ncia climat rica l comportamento t rmico temp 70 C no telhado e 55 C no s t o Protec o contra contactos directos Linha individual com duplo e indirectos isolamento Tabela 3 Propriedades dos cabos DC PEREIRA 2010 Sempre que houver possibilidade de op o os cabos de policloreto de vinilo PVC n o dever o ser usados no exterior O material halogeneizado PVC frequentemente utilizado nas instala es el ctricas Tendo em considera o os impactos no ambiente dever o ser escolhido produtos isentos de halog neos Por raz es associadas protec o contra falhas de terra e curto circuitos recomenda se o uso de cabos monocondutores isolados para as linhas positivas e negativas Se forem usados cabos multicondutores o condutor de protec o verde amarelo n o dever estar sujeito a qualquer tens o
64. odin micos correntes paralelas no sentido inverso amp Aquecimento por efeito joule P RxI Os condutores de polaridade negativa e positiva dever o ser independentes ou seja n o devem ser agrupados num s cabo Os cabos para uma instala o de venda de energia rede p blica podem ser divididos em Cabos AC do aerogerador ao rectificador Cabos DC do rectificador ao Inversor Cabos AC do inversor para liga o ao Ramal AC Cabos AC do aerogerador ao rectificador Considera se que a queda de tens o m xima desde a turbina at ao rectificador nao deve ser superior a 1 Torna se necess rio percorrer as tr s fases para ligar o aerogerador ao rectificador Para dimensionarmos a sec o dos cabos para liga o do aerogerador ao rectificador utilizamos a f rmula seguinte 72 L fase fase x I S fase mm E 10 XU e XO Em que U el representam a tensao e a corrente nominal em cada fase do gerador fase fase L fase o comprimento do cabo o m Dx mm a condutividade el ctrica do material do qual feito o cabo O resultado obtido arredondado para a sec o normalizada do valor imediatamente superior ao obtido Para al m das condi es de tens o e corrente regulamentares os condutores dever o apresentar ainda protec o com raios UV Cabos de liga o do rectificador ao inversor O cabo principal DC estabelece neste caso a liga o entre o rectificador e
65. olar causam diferentes press es atmosf ricas que s o respons veis pelos movimentos de ar As caracter sticas do movimento de grandes massas de ar s o afectadas pela rugosidade do terreno por grandes massas de gua e pela vegeta o terrestre QUASCHNING 2005 2 1 1 Forma o do vento A energia e lica pode ser considerada como uma das formas em que se manifesta a energia proveniente do Sol isto porque os ventos s o originados pelo aquecimento diferenciado da atmosfera Essa n o uniformidade no aquecimento da atmosfera deve ser creditada entre outros factores orienta o dos raios solares e aos movimentos da Terra DUTRA 2007 As regi es tropicais que recebem os raios solares quase que perpendicularmente s o mais aquecidas do que as regi es polares Consequentemente o ar quente que se encontra nas baixas altitudes das regi es tropicais tende a subir sendo substitu do por uma massa de ar mais frio que se desloca das regi es polares O deslocamento de massas de ar determina a forma o dos ventos DUTRA 2007 ver figura 2 22 Figura 2 Forma o dos ventos causado pelas desloca es de massas de ar fonte CEPEL 2001 Existem locais no globo terrestre nos quais os ventos nunca param de soprar pois os mecanismos que os originam aquecimento no equador e arrefecimento nos p los est o sempre presentes na natureza S o chamados de ventos planet rios ou constantes e pode
66. olha da turbina um dos crit rios a ter em conta o valor da sua pot ncia Para este item a quantidade di ria de energia e lica e a velocidade m dia anual do vento no local a instalar a turbina s o factores importantes Como neste caso n o existe uma necessidade energ tica para consumo pr prio pois trata se de um sistema ligado rede apenas iremos necessitar do valor de V Z anteriormente calculado no ponto 3 4 4 68 3 5 6 C lculo da pot ncia produzida anualmente As turbinas olicas s o caracterizadas por gerar uma pot ncia m xima a uma determinada velocidade acima da qual esse valor se mant m constante A pot ncia m xima intitulada de pot ncia nominal e quando a velocidade do vento para a qual esta atingida ultrapassada a turbina regulada para funcionar a pot ncia constante sendo para tal provocada artificialmente uma diminui o no rendimento da convers o Na curva de pot ncia do aerogerador verifica se a pot ncia nominal a velocidade de arranque e a velocidade de paragem Atrav s da curva de pot ncia e recorrendo distribui o da velocidade do vento atrav s da distribui o de Rayleigh poss vel determinar a energia obtida anualmente cut out E mui KWh 8760x gt P u x f u cut in Onde cut in a velocidade de arranque do aerogerador cut out a velocidade m xima do aerogerador quando come a a perder caracter stica 69 3 5 7 Dimensionamen
67. omportamento do vento sob a influ ncia das caracter sticas do terreno fonte Atlas E lico do Brasil 1998 2 1 3 O Atlas Portugu s de Vento Em Portugal v rias institui es designadamente o INETI Instituto Nacional de Engenharia Tecnologia e Inova o dedicaram se tamb m realiza o sistem tica de medi es da velocidade do vento O INETI tem publicada uma vers o muito completa do Atlas Portugu s de Vento de que se apresenta um exemplo na figura 4 As maiores velocidades m dias anuais 6 a 6 5 m s a 60 m de altura encontram se junto ao litoral oeste nomeadamente na zona centro e em certas regi es do interior norte Castro 2009 26 Latitude NM WGS64 Longitude E WGS84 Figura 4 Atlas Portugu s do vento COSTA 2006 Apresentando o vento um car cter inconsistente ao n vel da velocidade e direc o torna se complexo caracterizar o potencial e lico em determinado local Para tal recorre se a uma vari vel aleat ria representativa da velocidade do vento com recurso distribui o de probabilidade Foi conclu do atrav s de uma serie de estudos estat sticos envolvendo a velocidade hor ria do vento que a distribui o de Wezbull se apresenta como uma distribui o estat stica adequada distribui o do vento A velocidade do vento n o apresenta uma varia o significativa de ano para ano ao contr rio do que se verifica mensalmente 27 Assim para poder car
68. onais A velocidade angular das turbinas geralmente varia na faixa de 20 a 150 rpm devido s restri es de velocidade na ponta da p Entretanto os geradores sobretudo os ass ncronos trabalham a rota es muito mais elevadas em geral entre 1200 a 1800 rpm tornando se necess rio procede instala o de um sistema de multiplica o entre os eixos Mais recentemente alguns fabricantes desenvolveram com sucesso aerogeradores sem a caixa multiplicadora e abandonaram a forma tradicional de construir turbinas e licas Ao inv s de utilizar a caixa de engrenagens com alta rela o de transmiss o necess ria para alcan ar a elevada rota o dos geradores utilizam se geradores multi p los de baixa velocidade e grandes dimens es Os dois tipos de projectos possuem suas vantagens e desvantagens e a decis o em usar caixa multiplicadora ou fabricar um aerogerador sem caixa de transmiss o antes de tudo uma quest o de filosofia do fabricante DUTRA 2007 30 Turbinas de eixo vertical Atendendo s caracter sticas das turbinas de eixo horizontal os rotores de eixo vertical t m a vantagem de n o precisarem de mecanismos de acompanhamento para as varia es da direc o do vento desta forma s o reduzidos os esfor os provocados pelas for as de Coriolis e atenuada a complexidade do projecto Os rotores de eixo vertical tamb m podem ser movidos por for as de sustenta o lift e por for as de arrasto drag
69. onsumo superior produ o a energia necess ria alimenta o das cargas fornecida pela rede ZENTI 2 7 As Micro turbinas E licas 2 7 1 Tecnologias e licas para a microgera o Existem v rias defini es e classifica es de pequenas turbinas e licas sendo a nica universalmente aceite que s o turbinas e licas cuja rea de capta o da energia incidente do vento inferior a 200m de acordo com a norma IEC 61400 2 No entanto normal que estas pequenas turbinas sejam objecto de subclassifica o e categoriza o adicionais quanto dimens o e orienta o do rotor No que respeita dimens o deste utiliza se a 47 denomina o de micro turbinas e licas quando a sua utiliza o dom stica e a pot ncia raramente excede os 5kW e de mini turbinas e licas para pot ncias de uma a algumas dezenas de kW Na tabela 1 apresenta se a subclassifica o das SWT quanto dimens o do rotor proposta na norma IEC 61400 2 e a subclassifica o quanto pot ncia nominal aceite no sector ESTANQUEIRO amp SIM ES 2010 CLASSIFICA O R CLASSIFICA ES DI METRO DO NORMATIVAS SUB CLASSE COMUNS sais APLICA ES ROTOR M e VARIDA NOMINAL Pu MICRO TURBINA Urbaniza es e 16m lt D lt 5m 2m lt A lt 78 5m 5 kW lt Pu lt 50 kW pequenas MINI TURBINA empresas PEQUENA TURBINA Tabela 1 Subclassifica o de pequenas turbinas e licas Qua
70. os fazendo uma gest o mais eficiente dos recursos energ ticos Este fen meno da MG levar cria o de novos paradigmas da explora o das redes de distribui o de Baixa Tens o Este recente conceito ter as seguintes vantagens de acordo com Saraiva Lopes Hatziargyriou amp Jenkins 2003 Em rela o ao ambiente amp Redu o das emiss es de gases e consequentemente uma atenua o nas mudan as climat ricas amp Maior sensibiliza o dos consumidores para a energia Sistema de produ o de energia de menor porte relativamente aos tradicionais grandes centrais h dricas e termoel ctricas Em rela o ao sistema el ctrico de energia amp Redu o da dist ncia entre a produ o e os centros de consumo Redu o de perdas nas redes a montante Redu o ou adiamento de investimentos em transmiss o e produ o em grande escala Em rela o qualidade de servi o Aumento da qualidade de servi o Atenua o do impacto de falhas na distribui o e transmiss o Em rela o ao mercado amp Poss vel desenvolvimento de novas abordagens de mercado 16 Eventual redu o do poder de mercado das grandes empresas amp Poss vel contribui o para a redu o dos pre os de electricidade j que as redes de transporte e distribui o s o usadas de forma menos intensiva O novo enquadramento legal da microgera o presente no Decreto Lei 363 2007 permite a injec o total
71. os depois de disparar Isolam automaticamente o sistema de microgera o da rede el ctrica caso ocorra uma sobrecarga ou um curto circuito amp Disjuntores diferenciais s o aparelhos de protec o sens veis corrente residual diferencial Estes dispositivos observam a corrente que flui nos condutores de ida e de retorno do circuito el ctrico Caso a diferen a entre ambas as correntes ultrapassem os 30mA estes actuam isolando o circuito em menos de 0 2s Este dispositivo ser activado quando ocorrer uma falha de isolamento um contacto directo ou indirecto 3 5 10 Dimensionamento do interruptor AC de isolamento do aerogerador A interrup o de correntes AC menos exigente do que a interrup o de correntes DC recomend vel que se opere o interruptor DC ap s o isolamento do circuito AC O interruptor AC apresenta uma forma de isolar manualmente o aerogerador Esta ac o necess ria durante a instala o manuten o e repara o do aerogerador Desta forma cumprida a norma IEC 60364 7 712 que exige um interruptor de acesso manual entre o aerogerador e o inversor Para um isolamento eficaz do circuito que liga o aerogerador ao rectificador o interruptor AC a incluir dever ser tripolar bem como possuir um elevado poder de corte de modo a que a sua abertura seja efectuada do modo mais seguro poss vel 17 3 9 11 Protec o contra descargas atmosf ricas nos sistemas ligados rede el
72. ra 78 Protec o contra descargas indirectas A probabilidade de um edif cio ser afectado por uma descarga indirecta muito maior do que a probabilidade deste ser afectado por uma descarga directa O sistema e lico durante o tempo de vida til sofrer diversos efeitos indirectos causados por descargas atmosf ricas Segundo a norma IEC 364 5 54 um dos requisitos para a protec o de instala es el ctricas contra descargas atmosf ricas a liga o equipotencial dos elementos condutores Em sistemas expostos a descargas atmosf ricas dever o ser utilizados cabos protegidos correctamente contra curto circuitos Recomenda se o uso de cabos blindados de cobre e com uma sec o m nima de 16mm sendo o extremo superior da blindagem ligado torre do aerogerador segundo o tra ado mais curto poss vel 3 5 12 Liga o terra dos componentes do sistema de microgera o O condutor geral de protec o deve encontrar se separado dos restantes cabos el ctricos a fim de evitar descargas de indu o provocadas por estes A sua liga o ao el ctrodo de terra dever ser efectuada pelo caminho mais curto e se poss vel em linha recta e vertical O el ctrodo de terra dever ser constitu do por fitas de cobre ou a o galvanizado enterradas a mais de 0 8m da superf cie do solo ou que possuam uma superf cie de as 2 2 contacto terra de no m nimo Im Na figura seguinte apresentado um esquema de liga
73. ra do mar para a terra brisa mar tima A noite a temperatura da terra cai mais abruptamente do que a temperatura da agua e assim ocorre a brisa terrestre que sopra da terra para o mar Normalmente a intensidade da brisa terrestre menor do que a da brisa mar tima devido menor diferen a de temperatura que ocorre no per odo nocturno DUTRA 2007 Sobreposto ao sistema de gera o dos ventos descrito acima encontram se os ventos locais que s o originados por outros mecanismos mais espec ficos S o ventos que sopram em determinadas regi es e s o resultantes das condi es locais que os tornam bastante individualizados DUTRA 2007 A mais conhecida manifesta o local dos ventos observada nos vales e montanhas Durante o dia o ar quente nas encostas da montanha se eleva e o ar mais frio desce sobre o vale para substituir o ar que subiu No per odo nocturno a direc o em que sopram os ventos novamente revertida e o ar frio das montanhas desce e acumula se nos vales DUTRA 2007 2 1 2 Factores que influenciam a direc o dos ventos 2 e O comportamento estatistico do vento ao longo do dia um factor que influenciado pela varia o de velocidade do vento ao longo do tempo DUTRA 2007 24 As caracter sticas topogr ficas de uma regi o tamb m influenciam o comportamento dos ventos uma vez que numa determinada rea podem ocorrer diferen as de velocidade causando a redu
74. ro mancal Estrutura de suporta o e funda o com excep o do tubo de bin rio todos os outros elementos do trem de accionamento situam se no solo e s o montados numa nica estrutura de suporte Uma das vantagens dos sistemas de configura o vertical que a maioria das actividades de manuten o realizada no solo QUASCHNING 2005 37 Turbina de eixo horizontal vs Turbina de eixo vertical Eixo Horizontal gt Vantagens Possui a capacidade de ajustar o ngulo de ataque das p s da turbina fornecendo um controlo de pot ncia mais rigoroso Em situa es atmosfericamente severas os mecanismos de controlo inerentes s turbinas em eixo horizontal permitem minimizar o risco de danos na turbina As turbinas de eixo horizontal normalmente situadas em locais mais altos que as turbinas de eixo vertical disp em de ventos com maior velocidade o que lhes permite um aumento substancial na produ o de energia gt Desvantagens amp A instala o e manuten o s o complexas devido altura da torre e pelo facto da maquinaria se situar no topo da torre sendo necess rios mais meios f sicos e consequentemente financeiros para transporte instala o manuten o MASTERS 2004 amp As turbinas que operam a jusante do vento Downwind sofrem maiores vibra es nas suas estruturas Eixo Vertical gt Vantagens N o necessitam de mecanismos de acompanhamento para varia es da
75. ss veis de informa o encontram se as bases de dados dos ventos ou os Atlas do Potencial E lico ESTANQUEIRO amp SIM ES 2010 3 2 Caracter sticas especiais do Vento Apresentam se de seguida v rias caracter sticas que dever o ser tidas em conta quando se pretende instalar um aerogerador 50 3 2 1 Obst culos Os obst culos edif cios rvores forma es rochosas t m uma influ ncia significativa na diminui o da velocidade do vento e s o fontes de turbul ncia na sua vizinhan a A Figura 9 mostra o modo como o escoamento afectado na rea envolvente do obst culo podendo verificar se que a zona turbulenta se pode estender at cerca de tr s vezes a altura do obst culo sendo mais intensa na parte de tr s do que na parte da frente do obst culo Castro 2009 TASTE Figura 9 Escoamento na zona envolvente de um obst culo Castro 2009 A redu o na velocidade do vento depende das dimens es e da porosidade do obst culo Porosidade define se atrav s da seguinte equa o p 1 Ay Em que A a rea total ocupada pelo objecto e Ass a sua rea efectiva Por exemplo um edif cio tem porosidade nula a porosidade das rvores varia entre o ver o e o inverno de acordo com a quantidade de folhas Sempre que os obst culos se encontrem a menos de 1 km medido segundo uma das direc es predominantes eles ter o de ser tidos em conta no proj
76. sticas A pot ncia nominal do inversor define a pot ncia do sistema e lico A pot ncia nominal do inversor dever ser sempre inferior pot ncia de pico do aerogerador O intervalo de potencia dever estar entre OTST aa E InvDC lt 1 2xP olica eolica Outra das caracter sticas na escolha do inversor prende se com a sua efici ncia de convers o ou rendimento A efici ncia da convers o relaciona a pot ncia de entrada com a pot ncia de sa da do inversor pela seguinte express o P AG a DC Onde Pc a pot ncia de sa da efectiva e Pc a pot ncia de entrada efectiva O valor mais usual deste rendimento apresenta valores entre 86 e 95 Caso o inversor possua na sa da um transformador n o necessitar de um diferencial de 30mA na sa da PEREIRA 2010 Quando as pot ncias de sa da ultrapassarem os 10kW de pot ncia dever se utilizar um inversor para cada equipamento espec fico de consumo Isto prende se com o facto de que se o inversor deixar de funcionar os outros continuaram a funcionar normalmente PEREIRA 2010 71 3 9 9 Dimensionamento de cabos DC e AC No dimensionamento dos cabos devem ser observados tr s crit rios essenciais O cumprimento dos limites fixados pela tens o nominal e pela intensidade de corrente m xima admiss vel do cabo bem como a minimiza o das perdas Em corrente continua os cabos devem ser bem dimensionados devido a amp Esfor os electr
77. t assim perante uma reduzida variedade da oferta energ tica prim ria que aliada escassez de recursos pr prios conduz a uma maior vulnerabilidade do sistema energ tico s flutua es dos pre os internacionais por exemplo o pre o do petr leo exigindo esfor os no sentido de aumentar a diversifica o DGEG 2008 O aproveitamento dos recursos renov veis tamb m um factor importante na explica o do forte crescimento da produ o descentralizada como Portugal rico nestes 14 recursos faz sentido explor los para reduzir a depend ncia energ tica conduzindo deste modo sustentabilidade energ tica do nosso pa s DGEG 2008 Este tipo de aproveitamento pode reduzir substancialmente as emiss es de carbono contribuindo assim para os compromissos dos pa ses mais desenvolvidos para satisfazer as suas metas relativas s emiss es de gases com efeito de estufa tendo por base o Protocolo de Kyoto Neste momento em Portugal existe um mercado emergente para a MG segundo a legisla o aplicada recentemente atrav s do Decreto Lei 363 2007 de 2 de Novembro que estabelece o regime jur dico aplic vel produ o de energia por interm dio de unidades de microprodu o tamb m designado por Renov veis na Hora A iniciativa Renov veis na Hora uma das medidas previstas no plano para a pol tica de energia e altera es clim ticas apresentado em Fevereiro de 2008 pelo Minist
78. tala o na envolvente pr xima Deste modo e uma vez que poss vel prever como um objecto pode perturbar o fluxo de vento devem ser tidos em conta os seguintes aspectos aquando da instala o e Se existe um edif cio mais alto que o da instala o com uma altura x ent o a turbina ter de ser colocada a uma dist ncia horizontal deste de 3x e Se o edif cio de instala o tem uma altura h ent o a turbina ter de ser colocada a uma altura de 1 3 h no caso de edif cios de forma rectangular e a uma altura de 1 5h no caso de edif cios com telhado em bico medida a partir 54 do limite superior do edif cio devido turbul ncia que causada pelo vento quando este bate no edif cio figura 12 Zona de forte turbul ncia e efeitos 3D nao desprezaveis Figura 12 Turbul ncia causada pelo vento quando bate no edificio ESTANQUEIRO 2008 Para se proceder a uma caracteriza o mais detalhada do local aonde se pretende realizar a instala o ter de ser realizado medi es com o aux lio de anem metros e sensores de direc o sendo necess rio que estes se encontrem bem expostos a todas a direc es do vento com os obst culos situados a pelo menos dez vezes a altura de instala o Figura 13 Sensor de direc o e anem metro de copos Castro 2009 dO Apesar de apresentar uma constante de tempo inversamente proporcional velocidade do vento ou seja a acelera o mais r pi
79. tema de comunica o para telecontagem 104 Anexo 2 Caracter sticas t cnicas de alguns micro aerogeradores existentes no mercado DE dj 6METER Ass ncrono 10 Dos ESPADA PMSG 0 8 PASSAAT PMSG 14 a eel MONTANA PMSG 5 O CD 7 ALIZE PMSG 10 MR RR KrestellkW PMSG 1 ee Bornay250 PMSG 0 25 Bornay600 PMSG 0 6 R omm Bornay1500 eee E J O e Bornay3000 PMSG 3 Bornay6000 PMSG 6 ee WT600 PMSG 0 6 ES Es WT2500 PMSG 2 5 DE WT6000 PMSG 6 E a WT15000 PMSG 15 o ROTO WRE 007 PMSG 0 75 pose WRE 015 PMSG 15 Doo as PMSG 3 ee WRE 060 PMSG 6 A BIGSTAR PMSG 2 6 Horizontal 1 8 Horizontal 2 5 Horizontal 22 Horizontal 312 Horizontal 5 Horizontal if Horizontal 3 Horizontal 9 4 an Horizontal 1 35 Horizontal 2 Horizontal Dee Horizontal 3 pj Horizontal 3 7 E a 2 99 Horizontal SO Horizontal 5 0 Horizontal 9 Horizontal 1 5 a Vertical 1 5 Vertical 3 9 Vertical 2 o Vertical 4 3 E Vertical 105 Skystream3 7 Westwind10 Westwind20 WE 1000 WE1500 WE 8000 WE 20000 WS 0 30C WS 0 30A WS 4C WS 4A WS 0 15C B WS 2B WWINDFLOWER Whisper 100 Whisper200 Whisper500 VAWT2500 2000 5000 10000 20000 200 300 400 500 1000 PMSG PMSG PMSG Assincrono Assincrono Assincrono Assincrono PMSG PMSG PMSG PMSG PMSG PMSG Assincrono PMSG PMSG PMSG PMSG PMSG
80. teristicas t cnicas do inversor Windy Boy 1700 E E GEE EF EF FE Como Potencia nominal AC m xima W 1850 ESS Electronic Solar Switch desliga em DC quando n o h tens o em AC Este factor importante pois o inversor funciona base de clock da rede el ctrica nacional Tens o m xima de entrada CC V 400 Intervalo de tens o CC MPP V 100 400 Corrente de entrada m xima CC A 12 6 Consumo stand by W 0 1 Rendimento europeu m ximo 91 8 IP 65 Temperatura de funcionamento C 25 C 60 C Dimensoes L x A x C mm 434 x 295 x 214 Peso Kg 25 Garantia do fabricante 5 anos o inversor escolhido possui na sa da um transformador este nao necessitar de uma diferencia de 30mA na sa da Como a sa da do aerogerador trif sica temos de considerar 1 inversor para cada fase ou seja neste caso ser o necess rios 3 Inversores recomend vel a utiliza o de um interruptor de circuito de sobrecarga de 16A como fus vel do circuito figura 29 101 Figura 29 Interruptor de circuito de sobrecarga de 16A AG SMA Solar Technology 2010 Dimensionamento de cabos DC e AC Cabos AC do aerogerador ao rectificador N o se vai calcular o tipo de cabo para esta liga o pelo facto de este ser fornecido com o aerogerador Cabos de liga o do rectificador ao inversor O cabo principal DC estabelece neste caso a
81. to do Rectificador A convers o de CA para CC poder ser de onda completa ou de meia onda consoante se utilizam as duas altern ncias ou apenas uma altern ncia da tens o alternada sinusoidal respectivamente Dependendo dos dispositivos semicondutores utilizados d odos trans stores tir stores o rectificador poder ter maior ou menor grau de controlo rectificador totalmente controlado semi controlado ou n o controlado O rectificador e lico tem como principal fun o de rectificar a corrente em AC para DC Normalmente quando estamos perante sistemas h bridos isto energia e lica e solar fotovoltaica para alimentar sistemas isolados com baterias utilizado um equipamento denominado Regulador E lico Este tem duas fun es evitar sobrecargas nas baterias e evitar que a energia flua em sentido inverso quando n o h vento Um regulador e lico tem incorporado um rectificador AC DC de forma a permitir sa das em tens o nas seguintes gamas consoante a pot ncia do aerogerador 12 24 36 48 120 e 300 VDC Para a escolha do regulador e lico este ter de ser previsto para o valor da corrente P _ _ MAX MAX DC U I DC MAX 70 3 5 8 Dimensionamento do Inversor O lado DC do circuito deve incluir um disjuntor de acordo com a norma DIV VDE 0100 712 na qual seja permitido a desconex o do gerador ao inversor PEREIRA 2010 Na escolha do inversor h que ter em conta duas caracter
82. tra se junto entrada do contador de produ o 82 Renov veis na hora Solu o D Clientes BTN Instala es existentes Solu o altemativa Liga o a ramal a reo ou ramal subterr neo Liga o atrav s dos terminais de entrada do Contador de Produ o Esta solu o apenas deve ser utilizada quando a solu o preferencial e as outras solu es alternativas n o forem convenientes por raz es de espa o ou arquitect nicas j LEGENDA ACE Aparelho de Corte de Entrada QE Quadro de Entrada CC Contador de Consumo CP Contador da unidade de microprodu o acess vel ao distribuidor SF Seccionador fus vel unipolar neutro PC Portinhola de Consumo caixa ou quadro de coluna gt 21 E 31 3 ols 5 6 Tor ada LXS LR 003 09 08 Figura 23 Liga o RESP de uma unidade de consumo de uma instala o existente JAPP 2009 S o exigidas nas vistorias portinholas do tipo PC P sendo permitido outro tipo de liga o ainda mais simples apenas em situa es excepcionais nas quais imposs vel instalar uma nova portinhola sendo exemplos disso os edif cios de patrim nio arquitect nico nos quais imposs vel alterar a fachada ou situa es de falta de espa o 3 9 15 Contador de Energia O contador de energia a utilizar dever de ser aprovado pela EDP e fornecido com um modem GSM para cumprir com as exig ncias da lei acerca da telecontagem A contagem da energi
83. uadas na cidade do Porto durante 2 meses distintos Mar o e Setembro respectivamente os meses mais e menos ventosos do ano sendo percept vel a distribui o percentual das direc es em que o vento sopra Assim poss vel analisar que em Setembro o vento se deslocou essencialmente na direc o Noroeste no total de 35 de vento nessa direc o enquanto em Mar o o vento se repartiu essencialmente por Noroeste e Sudoeste Winddir distrib March Porto Aeroporto Winddir distrib September Porto Aeroporta SS SSE SS SSE Figura 15 Rosa dos Ventos da cidade do Porto Windfinder com A velocidade do vento e a direccao tornam se importantes para determinar a orientacao inicial dos aerogeradores em rela o ao vento Caso os dados dos quais se disponha sejam referidos a um ano torna se necess rio saber se este foi um ano representativo duvida que ultrapassada caso se possuam medi es de mais anos No caso de apenas possuir a ov medi o referente a um ano os dados dispon veis poder o ser comparados com dados provenientes de esta es meteorol gicas pr ximas 3 3 2 Modelos f sicos e modelos num ricos Quando se pretende estudar simultaneamente v rios locais ou um s local disperso por uma rea consider vel o recurso a modelos f sicos e ou num ricos uma pr tica habitual Castro 2009 Os modelos f sicos da topografia do terreno s o realizados escala e colocados num t nel
84. uma altura minima da torre de 3 5m de altura o tipo de terreno onde est localizada a e lica para ser determinada a rugosidade do terreno Ap s a selec o destes campos vai ser calculada a velocidade m dia no local de instala o 3 3 Caracter sticas da e lica Depois de efectuados os passos atr s referidos o utilizador ir inserir os dados do aerogerador que est o dispon veis nas fichas t cnicas dos mesmos Os dados que o utilizador dever inserir s o a Pot ncia do aerogerador di metro do rotor a velocidade ST Cut in velocidade para qual o aerogerador come a a funcionar a velocidade Cut out velocidade para a qual o gerador come a a perder rendimento Haver um campo que ser o Coeficiente de Pot ncia C caracteriza o n vel de rendimento de uma turbina e lica Uma turbina de um aerogerador bem desenhado consegue ter 25 40 de efici ncia Se na ficha de caracter sticas do aerogerador n o vier descriminado este rendimento o utilizador deixar em branco a selec o CP conhecido e o valor a ser considerado ser o limite de Betz que 59 3 O utilizador poder tamb m escolher a quantidade de aerogeradores que quer instalar para cumprir a pot ncia m xima a entregar rede no campo onde diz quantidade de c licas Ap s estes dados estarem inseridos e ao clicar no Bot o CALCULAR ir ser determinada a energia anual produzida mediante a serie de Rayleigh Ser tamb m apres
85. uma unidade de consumo de uma instala o nova 81 Figura 22 Liga o RESP de uma unidade de consumo de uma instala o existente 82 Figura 23 Liga o RESP de uma unidade de consumo de uma instala o existente 83 Pictira 24 4 Modem GSM MAESTRO aspira isa E ga 84 Figura 25 Fonte de alimenta o externa ssssssseserereresesrsesessseseererererereseseseseseseseeeerere gt 84 Feura 26 Antena C eea T a aaea 84 Feur 2 ay Ould pro rana aena a a 86 Figura 28 Curva da caracter stica do aerogerador cecceecceccneececcesceeceesceeseeeenseneseaeens 97 Figura 29 Interruptor de circuito de sobrecarga de 16A ccccecccecccecceeeceeeceeeeeeeeneeeaees 102 Figura 30 Tipo de cabo DC a utilizar entre o rectificador e o inversor c see eee ees 103 NDICE DE TABELAS Tabela 1 Subclassifica o de pequenas turbinas COLICAS cccccc cece sec eeceeeeceeeneeeeeeeeeenees 48 Tabela 2 Dimens es m nimas da portinhola ccccccecneceeeeteccececeeceseuceeescesesceeneeesees 64 Tabelas Propriedades Aor Cabos DO aanaisia ap sela a eita NA 74 Tabela 4 Resumo de caracter sticas da energia e lica 0 ceceeccec nec eeceeceeneeneeeceeceeeeeneeees 90 xl ABREVIATURAS AT Alta Tens o MG Microgera o BT Baixa Tens o rpm rota es por minuto PMSG Permanent Magnet Synchronous Generator ME micro e licas DGEG Direccao Geral de
86. ura e Turbinas de eixo vertical siase dd dada eia Re dio boas Dds 36 Figura 8 Tipos de Geradores de micro e licas cccccceccsecceecceeceeccecceeeaecceeeesecesseeceaeeaees 40 Figura 9 Escoamento na zona envolvente de um obst culo sssssssessssrsesrsrsesesesesesssse 51 Figara dOs Eleito de CSteir Areena a a ONS 52 Figura 11 Coloca o das turbinas num parque e lico cecc eee c eee eeeeeeceeeeeeeeeeaeeeeeeneees 53 Figura 12 Turbul ncia causada pelo vento quando bate no edif cio cccc cece eec eee eeee es 55 Figura 13 Sensor de direc o e anem metro de copos s ss ssesesseserseserseseessesesseserseserses 55 Pie Gra A s Anemone To S nico aa a a a a a ea 56 Figura 15 Rosa dos Ventos da cidade do Porto snsnsnersesesssssssseserereresesrsrseseseseeeeeeres 57 Figura 16 Esquema Unifilar de uma instala o de microgera o liga rede 59 Figura 17 Liga o de um aerogerador a um rectificador trif sico de ponte completa 61 Figura 18 selec o do tipo de turbina e lica em fun o da velocidade m dia do vento e carestabilidade direccionadas aan ado a a E ANA ca anne 67 Figura 19 Curva da caracter stica Potencia vs Velocidade do vento do aerogerador Bornay 1 O00 2 xateattasat a O Sacer aa RA An E dd Stuer ea 67 Figura 20 Esquema de liga o terra da torre do aerogerador cceceeeeeeeeeeeeeeneeeees 80 Figura 21 Liga o RESP de
87. v veis em que o rendimento de convers o pode atingir valores interessantes poder ser superior a 50 e em determinadas regi es o seu potencial bastante bom nomeadamente em zonas litorais e em zonas montanhosas Em ambiente urbano impratic vel a instala o de grandes torres e licas mas a micro produ o baseada em pequenas turbinas e licas perfeitamente poss vel e desej vel O prop sito deste trabalho realizar um estudo de cariz t cnico acerca da instala o de um mini parque e lico num edif cio urbano tendo em conta todas as condicionantes velocidade do vento obst culos na zona altura de montagem inter dist ncia entre aerogeradores Foi realizado um software que ir auxiliar a escolha dos aerogeradores e inversores para o tipo de local onde vai ser instalado o parque e lico Palavras chave microgera o microgera o e lica microprodu o mini e lica il ABSTRACT The Earth has been fustigated by climate change which results from the environmental pollution caused by humans In order to minimize these deleterious effects the most developed countries have established commitments regarding emissions of greenhouse gases based on the Kyoto Protocol The initiative Renov veis na Hora presented in February 2008 by the Portuguese government is one of the measures envisaged in the plan for the policy on energy and climate change Currently in Portugal there is an emerging mark
88. vado consumo de pot ncia reactiva destes geradores obriga a um investimento adicional em sistemas de compensa o do factor de pot ncia A instala o do gerador ass ncrono n o recomendada para utiliza o em regime isolado da rede pois o controlo tens o frequ ncia dif cil No entanto quando ligado rede desde que o sistema de controlo seja eficaz n o apresenta problemas Ackermann 2005 41 Gerador S ncrono os sistemas que incluem geradores s ncronos t m tido menos aplicabilidade em sistemas e licos devido ao car cter vari vel do vento incompat vel com o facto do gerador s ncrono ter de funcionar a uma velocidade exactamente constante O que significa que apesar das varia es na velocidade do vento as p s da turbina t m de rodar sempre mesma velocidade porque est o directamente associadas ao veio do rotor da m quina Estes geradores t m aplicabilidade quando associados a sistemas de electr nica de pot ncia convenientes mas sem esquecer o inevit vel e substancial aumento de pre o bem como a produ o indesejada de harm nicos Por outro lado os geradores s ncronos podem funcionar com qualquer ngulo de desfasamento entre a tens o e a corrente possuindo uma caracter stica de funcionamento ajust vel atrav s da excita o do gerador com excep o da frequ ncia Assim a produ o de energia reactiva pode ser controlada evitando se flutua es de pot ncia Ackermann 2005
89. xpress o 3 P C xAx px Onde C o coeficiente de forma da turbina traduz a quantidade de energia mec nica dispon vel A representa a rea de varrimento das p s da turbina durante o seu movimento de rota o m2 vo representa velocidade instant nea do vento m s p a densidade do ar do local em causa Kg m Esta equa o demonstra que a pot ncia dispon vel fortemente dependente da velocidade do vento quando este duplica a pot ncia aumenta oito vezes mas duplicando a rea varrida pelas p s da turbina o aumento da pot ncia s de duas vezes Por outro 29 lado se a velocidade do vento desce para metade a pot ncia reduz se a 12 5 Tudo isto explica a import ncia cr tica da coloca o das turbinas em locais com velocidades do vento elevadas no sucesso econ mico dos projectos de energia e lica Castro 2009 O bin rio mec nico induzido nas p s T pode ser calculado a partir da pot ncia extra da pela turbina dividindo esta pela velocidade de rota o Onde a velocidade angular do rotor rad s T o bin rio mec nico induzido nas p s N m P a pot ncia que o vento transfere turbina W A Figura 5 apresenta a varia o da energia el ctrica em fun o da velocidade angular do aerogerador para diferentes velocidades do vento O ponto m ximo das curvas o ponto a partir do qual pode ser extra do a pot ncia m xima para determinada velocidad

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