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Uma pá de turbina eólica não é uma "tábua que capta o vento". Ela utiliza a sustentação e o arrasto de um perfil aerodinâmico para gerar torque rotacional, transmitindo uma grande rotação de baixa velocidade para uma caixa de engrenagens ou um gerador de acionamento direto. A energia do gerador é condicionada por um conversor de tensão, frequência e potência reativa, passando então por um transformador e uma linha de transmissão até chegar à rede elétrica. Analisar a energia eólica como uma única máquina significa observar não apenas a intensidade do vento, mas também a turbulência, a fadiga, a previsão do tempo, a manutenção e o controle da rede em conjunto.
A energia eólica é vista como um sistema único, considerando não apenas a intensidade do vento, mas também a turbulência, a fadiga, a previsão do tempo, a manutenção e o controle da rede.
(A frase termina abruptamente, sem contexto suficiente para tradução precisa.)
Exemplo de energia eólica offshoreImagem: Middelgrunden parque eólico (Kim Hansen / Richard Bartz, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Uma fotografia de campo ilustrando o espaçamento das turbinas, não uma especificação para cada turbina atual.
0. Resumo de 30 segundos
- A potência ideal extraível do vento é P=\frac12\rho A v^3 C_p. Como é proporcional ao cubo da velocidade do vento v, pequenas diferenças no recurso eólico fazem uma grande diferença na geração anual. Nenhuma turbina consegue recuperar 100% da energia cinética do vento; o limite máximo é o limite de Betz, cerca de 59,3%. O C_p de uma máquina real varia com a velocidade do vento, o ângulo da pá, o controle e a turbulência.
O controle de passo ajusta o ângulo da pá, o controle de guinada aponta a nacela na direção do vento e o controle de torque do gerador regula a velocidade do rotor. Em ventos fortes, a potência de saída é reduzida e a turbina para por segurança.
Em terra, o transporte, o ruído e a paisagem predominam; em alto-mar (fundo fixo), as fundações, os cabos submarinos, os tufões e as embarcações de manutenção predominam; em alto-mar flutuantes, a amarração e o movimento predominam.
Na interconexão com a rede, os inversores de velocidade variável lidam com a potência ativa, a potência reativa, a tensão e a resposta de frequência. O erro de previsão é compensado pela combinação de baterias, energia hidrelétrica e resposta à demanda.
1. A Energia Cinética do Vento e o Limite de Betz
Figura 1 — Abaixo da partida, não há potência útil; entre a partida e a velocidade nominal, a potência aumenta acentuadamente; acima da velocidade nominal, o controle de passo limita a potência até o desligamento.
O ar com densidade \rho passando à velocidade v através de uma área varrida A=\pi R^2 carrega energia cinética por unidade de tempo de
Se a velocidade da esteira atrás da turbina fosse reduzida a zero, o fluxo de ar cessaria completamente — portanto, otimizar a queda de velocidade na turbina por meio da conservação do momento limita a fração extraível em
e não superior a. C_p é o coeficiente de potência, uma função C_p(\lambda,\beta) da relação de velocidade da ponta \lambda=\omega R/v e do ângulo de passo \beta. Em baixas velocidades de vento, a turbina acelera para acompanhar o \lambda ideal; acima da velocidade nominal do vento, o passo é alterado para manter a potência de saída constante.
2. Pá, Nacela, Torre
A pá converte a sustentação de um aerofólio em força tangencial. Pás mais longas e finas aumentam a área, mas também aumentam a fadiga devido à gravidade, à força centrífuga e à carga do vento. O cubo e o eixo principal, o gerador, a caixa de engrenagens e o painel de controle ficam dentro da nacela, com a torre e a fundação suportando as cargas para o solo. À medida que as turbinas aumentam de escala, a frequência natural da pá, a ressonância da torre, a latência de controle, os raios, a corrosão por sal e A cobertura de todos os elementos influencia diretamente o projeto.
3. Controle de Passo, Guinada e Torque
Controle de Passo
A alteração do ângulo de passo da pá \beta modifica a sustentação e o torque. Abaixo da velocidade nominal do vento, \beta é mantido em seu valor ideal; acima da velocidade nominal do vento, o ângulo de ataque é reduzido para limitar a produção. A redundância é necessária para que, se o atuador hidráulico ou elétrico falhar, a pá ainda possa se mover para a posição de bandeira (um ângulo que libera o vento).
Controle de Guinada
O controle de guinada, que aponta a nacela na direção do vento, utiliza a biruta e o anemômetro, a produção de geração e a torção da torre. Guinadas muito frequentes sobrecarregam o acionamento de guinada e os cabos, portanto, a direção média do vento e a turbulência são filtradas para equilibrar a perda de geração com a fadiga.
Torque do Gerador
Em turbinas de velocidade variável, o torque do gerador T_g varia com a velocidade para acompanhar o vento. a relação ideal de velocidade de ponta. A equação do movimento rotacional é
onde J é a inércia, T_a é o torque aerodinâmico e T_f é o torque de perda. Esquemas de controle que fornecem inércia virtualmente à rede liberam temporariamente a energia cinética rotacional da turbina para suavizar as quedas de frequência — mas a potência de saída deve ser reduzida durante o período em que o rotor recupera a velocidade posteriormente.
4. Velocidade Fixa, Velocidade Variável e Interconexão com a Rede
Geradores de indução de velocidade fixa são simples de construir, mas as mudanças na velocidade do vento se propagam facilmente em torque mecânico e para a rede. Um gerador de indução de dupla alimentação (DFIG) usa um conversor de capacidade parcial no lado do rotor para controlar a faixa de velocidade variável e a potência reativa. Um gerador síncrono de ímã permanente com um conversor de capacidade total desacopla eletricamente o gerador da rede, permitindo Controle em uma ampla faixa de velocidade — ao custo de maior potência, semicondutores e ímãs.
Os inversores geralmente usam controle de seguimento de rede, rastreando a fase da rede por meio de um PLL, mas redes offshore fracas ou ilhas isoladas exigem controle de formação de rede. Um controlador de parque eólico que supervisiona um conjunto de turbinas coordena a saída, a potência reativa, a taxa de variação e a redução de potência de cada turbina, repassando comandos do operador da rede, previsões meteorológicas e o estado de carga da bateria para a mesma hierarquia de controle.
5. Em terra, offshore com fundo fixo e flutuantes
| Tipo | Pontos fortes | Principais desafios | Foco da pesquisa | |---|---|---| | Em terra | Construção/manutenção relativamente fácil; perto da linha de transmissão | Ruído, paisagem, transporte rodoviário, turbulência | Adaptação a terrenos acidentados, previsão do tempo, repotenciação | | Offshore com fundo fixo | Ventos fortes, possibilidade de escala maior, distante de áreas habitadas | Fundações, cabos submarinos, navegação, corrosão | Fadiga em turbinas de 15 MW, logística portuária/de construção | | Flutuante em alto mar | Pode ser implantada em águas profundas | Amarração, movimento, tufões, cabos submarinos | Controle acoplado, flutuadores leves, robôs de manutenção |
No mar, a turbina, o flutuador, a amarração, as ondas e o cabo de energia estão todos acoplados. A alteração do ângulo de inclinação das pás modifica a carga aerodinâmica, o que afeta o movimento da torre e do flutuador; a alteração do torque do gerador modifica a velocidade do rotor e a carga de amarração. A pesquisa está avançando além de um único controlador PID em direção ao controle preditivo baseado em modelo, controle de mitigação de carga e gêmeos digitais que prolongam a vida útil à fadiga.
6. Previsão, Manutenção e Meio Ambiente
A previsão de energia eólica combina modelos meteorológicos, lidar, dados de satélite, velocidade do vento na nacela e dados de esteira de turbinas vizinhas para produzir distribuições de probabilidade de minutos a dias à frente. Durante períodos de grande erro de previsão, a capacidade da bateria é mantida em reserva e os sistemas térmico, hidrelétrico e de resposta à demanda são pré-configurados.
A manutenção monitora a vibração, a temperatura e a análise do óleo no eixo principal. Rolamento, caixa de engrenagens, gerador, rolamento de passo e pás. Imagens de drones e inspeções acústicas verificam a delaminação das pás e danos causados por raios, combinando sinais de anomalia com as condições de vento para decidir quando programar paradas. Os impactos em aves e morcegos, mamíferos marinhos, pesca e ecossistemas do fundo do mar precisam ser avaliados em conjunto com a localização, o controle operacional e o monitoramento — e não isoladamente.
7. Resumo
A energia eólica é um sistema que transfere o momento do ar sequencialmente para as pás, eixo, gerador, inversor, transformador e rede. A lei cúbica da velocidade do vento e o limite de Betz definem o teto da produção; o controle de passo, guinada e torque definem a carga mecânica e a qualidade da energia; a previsão e a manutenção definem a disponibilidade. Ao ler pesquisas sobre turbinas offshore/flutuantes ou inversores formadores de rede, vale a pena compará-los não apenas em termos de eficiência de conversão, mas também incluindo fadiga, cabeamento, portos, clima, meio ambiente e operação da rede.
O que acontece com o fluxo de energia eólica quando a velocidade dobra?
Ele aumenta oito vezes com a mesma densidade e área. A produção real de uma turbina é limitada por sua curva de potência e pelas condições de desligamento.
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