Energia Eólica

Energia Eólica AtomRA

 

A cadeira produtiva do segmento de produção de energia elétrica a partir da energia eólica está estruturada em cinco grandes segmentos homogêneos, a saber: empresas de engenharia (AtomRA Engenharia em Energia Renovável); empresas produtoras de máquinas e equipamentos; empresas especializadas em transporte e instalação de máquinas e equipamentos; empresas fornecedoras de materiais e insumos; e empresas especializadas em serviços de manutenção e reparos.

1) AtomRA Energia Renovável Eólica presta serviços de engenharia que planejam e dimensionam o parque eólico, fazendo o que se denomina anteprojeto ou projeto básico do parque eólico. As especificações técnicas dos equipamentos e a instalação são, na grande maioria das vezes, feitas pelos fabricantes de aerogeradores.

2) No segundo, estão todas as empresas de máquinas, equipamentos eletromecânicos e equipamentos eletroeletrônicos, além das produtoras de máquinas e materiais elétricos. A indústria de aerogeradores é bastante verticalizada, fabricando também os principais componentes.

3) No terceiro, estão as empresas dedicadas às atividades de transporte de máquinas e equipamentos industriais em uso. Nesse grupo, encontram-se as empresas de transporte de grandes cargas e as empresas de montagem industrial responsáveis pela colocação das peças nas grandes alturas, nas quais se encontra a parte girante do aerogerador.

4) No quarto, estão os materiais e os insumos para a indústria de máquinas e equipamentos, envolvendo o segmento metal–mecânico e de material elétrico e eletrônico. Nesse grupo, estão as empresas fornecedoras de insumos para a fabricação de motores e geradores elétricos, redutores e caixas multiplicadoras, e equipamentos elétricos em geral.

5) No quinto, estão os serviços de manutenção e reparação de máquinas e equipamentos industriais utilizados nos aerogeradores.

6) Os serviços de distribuição e consumo da energia elétrica não fazem parte da nossa solução, que trata apenas da geração e da oferta de energia.

As AtomRA Energia Renovável Eólica faz os levantamentos iniciais dos dados, realiza medições de vento no local escolhido, definem o layout dos aerogeradores no terreno e elabora o anteprojeto (estudos de viabilidade técnica etc.) e o projeto básico. A medição dos ventos normalmente é contratada em uma instituição que possua equipamentos certificados, uma vez que o peso da velocidade do vento no cálculo da geração de energia é muito grande – é a velocidade elevada ao cubo.

Além disso, participam da implantação de um parque eólico empresas de engenharia prestadoras dos seguintes serviços: sondagem do solo, projeto de fundações, projeto de vias de acesso ao parque eólico, projeto de subestações, monitoramento ambiental, assim como empresas que fazem estudos para a integração da usina eólica no sistema elétrico interligado nacional. O transporte e a montagem dos equipamentos normalmente são realizados pelos fabricantes dos equipamentos, que contratam firmas especializadas para o transporte e a montagem industrial com guindastes de grande porte.

Os fabricantes de equipamentos normalmente assinam contratos de manutenção com o cliente dono do parque eólico. Esse fato é considerado muito positivo pelos bancos financiadores dos projetos, uma vez que dessa forma, é possível garantir a disponibilidade técnica dos aerogeradores, aumentando a rentabilidade do negócio.

Um parque eólico é constituído de aerogeradores, que pode ser representado esquematicamente pela figura baixo, que mostra as partes componentes dos três principais conjuntos de um aerogerador: torre, nacela e rotor, em uma árvore de subconjuntos hierarquizados decomposta em mais dois níveis, de forma a esclarecer o esquema geral de possibilidades de arranjo ao conceber um aerogerador. Correlacionando as visões técnica e econômica de uma cadeia produtiva, os materiais e os equipamentos, que compõem um aerogerador, podem ser identificados nos segmentos, setores e produtos industriais da classificação industrial do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística do produto dentro de sua cadeia produtiva, de acordo com a figura:

 Os segmentos sugeridos podem ser divididos da seguinte forma:

a)  Materiais e insumos;

b) Sistemas eletromecânicos; e

c)  Sistemas eletroeletrônicos.

tabela exemplos

 Os aspectos técnicos, os princípios de funcionamento e as tendências tecnológicas desse sistema são apresentados a seguir.

Princípio de funcionamento e componentes dos equipamento de Energia Eólica

O princípio de funcionamento dos aerogeradores (ou turbinas eólicas) é o de conversão da energia cinética dos ventos em energia elétrica para a geração de potência. O procedimento de transformação energética se dá com o escoamento do vento através das pás de um rotor, que faz funcionar um conjunto de engrenagens de redução e eixos acionadores de um gerador elétrico. Este último é responsável pela geração de eletricidade, que pode ser utilizada diretamente ou armazenada em baterias.

Existem diversos tipos de aerogeradores, das mais variadas formas construtivas. Tipicamente, eles podem ser divididos em dois grupos principais, agrupados a partir da disposição física de seus eixos principais:

  • aerogeradores de eixo horizontal (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbine)
  • aerogeradores de eixo vertical (VAWT – Vertical Axis Wind Turbine).

É importante destacar que os aerogeradores de eixo horizontal são os de emprego mais difundido(praticamente a totalidade) nas plantas de geração de elevada potência. Os aerogeradores também podem ser classificados quanto ao porte: pequeno porte para potências abaixo de 10 kW, médio porte para potências entre 10 e 250 kW e grande porte para potências acima de 250 kW.

A configuração dominante dos aerogeradores é a de eixo horizontal, três pás e torre autoportante feita por calandragem de chapas de aço e constituída de seções cilíndricas superpostas a serem montadas no campo. Os aerogeradores demandam ventos com velocidade mínima para que entrem em funcionamento (da ordem de 3,5 m/s), operando dentro de uma faixa de velocidades no intervalo definido pela velocidade de corte (velocidade mínima) e pela velocidade limite de operação que varia de um modelo de aerogerador para outro. A velocidade máxima de um aerogerador é da ordem de 25 a 30 m/s.

A tendência atual é aumentar a potência e, consequentemente, o porte dos aerogeradores, havendo atualmente unidades de 7,5 MW em nosso portifólio, com uma torre de 108 m de altura. A potência de um aerogerador é proporcional ao diâmetro do rotor elevado ao cubo. Tendo em vista que o custo do transporte e a instalação são relativamente independentes do tamanho da máquina (dentro de certas faixas de potência) e que a intensidade do vento é maior à medida que a altura relativa ao solo aumenta, os equipamentos posicionados a uma altura mais elevada podem ter uma capacidade de geração superior à geração em alturas inferiores.

A aplicação de equipamentos de maiores dimensões, e consequentemente com maiores alturas, é economicamente mais rentável.

Torre

A torre do aerogerador consiste na estrutura responsável por sustentar todos os componentes funcionais dele, podendo ser feita em concreto armado (aço e concreto) ou apenas aço. As torres autoportantes possuem uma geometria cônico-tubular ou treliçada e são projetadas para suportar o peso de todo o sistema, assim como os esforços por conta da rotação das pás, da rotação da nacela e das cargas de vento sobre toda a estrutura.

As pás em rotação excitam as cargas cíclicas no conjunto com determinada frequência de rotação, o que pode provocar o fenômeno de ressonância. No projeto de torres, é necessário que a frequência natural do conjunto aerogerador seja diferente das frequências provocadas pelas massas girantes, de forma a não haver vibrações de grande amplitude e fadiga prematura dos componentes.

Atualmente, as torres podem alcançar alturas superiores a 100 m, o que resulta em uma montagem mais complexa do equipamento. Torres de grandes dimensões são feitas em módulos para viabilizar seu transporte pelas rodovias de acesso ao parque eólico. Na maioria das vezes, o fabricante do aerogerador é o responsável pela instalação da torre nas dependências do cliente; a fabricação e a montagem desse componente podem representar mais de 20% do custo total do equipamento. A Figura mostra e descreve a base de uma torre que abriga os componentes eletrônicos do sistema de geração.

BASE

 Rotor

O conjunto rotor de um aerogerador é composto de um cubo e pás, que são fixadas por meio de parafusos ao cubo, uma peça metálica na qual é conectado o sistema eletromecânico de geração de energia. As pás podem ser feitas em fibra de vidro, fibra de carbono ou kevlar por infusão a vácuo, rotomoldagem ou laminação manual.

O projeto das pás é feito pelos fabricantes dos aerogeradores, uma vez que sua aerodinâmica deve ser compatível com os demais componentes do equipamento, assim como com o perfil de ventos do local onde o equipamento irá trabalhar. As pás são formadas por dois componentes principais: uma longarina central laminada recoberta por uma “casca” com perfil aerodinâmico adequado ao equipamento e a sua aplicação. A pá não é um componente padronizado; a maioria dos fabricantes de aerogeradores projeta e fabrica suas próprias pás, porém, existem no mercado empresas fornecedoras de pás a partir das especificações dos fabricantes.

O cubo do conjunto rotor é uma peça com formato esférico, construída em liga metálica de aço de alta resistência onde são fixadas as pás por meio de flanges. É uma peça de grandes proporções que sofre processo de usinagem em máquinas-ferramenta de grande porte. É o componente responsável pela conversão da energia cinética contida nos ventos em energia mecânica de rotação do conjunto. O cubo pode apresentar rolamentos para a fixação das pás, como também pode acomodar mecanismos e motores para o ajuste do ângulo de ataque de todas as pás.

A forma mais usual de limitar a potência de um aerogerador é através do controle aerodinâmico do efeito do vento sobre as pás. Existem dois tipos: um denominado “controle de passo” (pitch) e outro denominado “controle por estol” (stall). O controle de passo é uma forma de controle ativo, onde a limitação da potência do aerogerador é alcançada através da rotação da pá em torno de seu eixo longitudinal, aumentando seu ângulo de passo e reduzindo o ângulo de ataque. O controle por estol é uma forma de controle passivo, obtido através do efeito aerodinâmico de descolamento do fluxo de vento. Neste caso, as pás são fixas e o controle atua automaticamente quando, ao ocorrerem velocidades de vento superiores à nominal, o escoamento em torno do perfil da pá descola de sua superfície, reduzindo, com isso, a força de sustentação.

Nacele

É o componente montado sobre a torre que abriga o gerador, o redutor (quando aplicável), os dispositivos para a medição da velocidade e direção do vento, assim como os componentes responsáveis pela rotação do conjunto para seu melhor posicionamento em relação à direção do vento. A nacele pode abrigar parte do sistema de controle do aerogerador, o sistema de refrigeração de óleo e o sistema de freio de emergência, dependendo da opção de projeto escolhida por cada fabricante.

Alguns fabricantes desenvolveram equipamentos sem o redutor através do acoplamento direto do rotor ao gerador, conforme pode ser visto no esquema mostrado a seguir. Esses equipamentos utilizam um gerador síncrono com estator de grande diâmetro com elevado número de polos e funcionando com excitação por corrente contínua. A nacele e a base da torre concentram os componentes destinados à ligação do equipamento com a rede elétrica.

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