Aspectos Técnicos

A performance da turbina eólica depende de aspectos técnicos definidos anteriormente., mas torna-se mais conveniente relacionar a performance com a rotação da turbina e a velocidade do vento a montante utilizando a relação de velocidade de ponta.

Relação de Velocidade de Ponta

Por isso, define-se a Relação de Velocidade de Ponta (TSR – Tip-speed Ratio) como:

Onde:

• • RVP é a relação de velocidade de ponta;
  • v é a velocidade da ponta da pá da turbina[m/s];
  • V é a velocidade do vento a montante da turbina[m/s];
  • ω é a velocidade angular da turbina[rad/s];
  • n é a rotação da turbina [rpm]
  • r é o raio da turbina[m].

 A curva Cp em função da RVP se tornou importante no desenvolvimento e fabricação de turbinas eólicas porque independe da rotação e da velocidade do vento.

A Figura 1 apresenta essa curva para diversos tipos de turbinas.

Observa-se que as turbinas de duas pás horizontais possuem o coeficiente de potência mais próximo do limite de Betz e, por isso, dominam o mercado de turbinas eólicas.

Por outro lado, turbinas verticais (Savonius e Darrieus) apresentam valores de Cp inferiores aos das horizontais. Consequentemente, as turbinas horizontais dominam o mercado apesar de necessitarem de mecanismos de alinhamento com o vento.

Além disso, a utilização dessa curva permite projetar turbinas com o rendimento máximo no valor da rotação desejada, o que facilita na escolha do gerador e caixa multiplicadora de velocidade.

Curva de Potência

Para maximizar a geração eólica, a turbina deve operar com velocidade variável para manter a relação de velocidade de ponta correspondente ao C_p máximo durante a maior parte do tempo possível.

Porém, isso nem sempre ocorre devido ao limite de potência do gerador e da resistência mecânica da turbina.

A Figura 2 mostra a curva típica de turbinas eólicas horizontais atuais. A curva se divide em quatro regiões separadas por três velocidades básicas:

• • Velocidade de início de geração – V_in
  • Velocidade nominal – V_n;
  • Velocidade de interrupção de geração – V_out;

V_in representa a menor velocidade de vento na qual a turbina inicia a gerar energia. Para velocidades de vento inferiores a turbina permanece parada.

V_n representa a velocidade do vento na qual a turbina atinge a potência nominal do gerador. Entre V_in e V_n, o sistema de controle ajusta a velocidade da turbina para a máxima eficiência.

Finalmente, V_out representa a velocidade máxima de vento na qual a turbina pode gerar energia.

Classes de Turbinas Eólicas

De acordo com a IEC 61 400-1, existem quatro classes de turbina eólica: I, II, III e S, cada uma com subclasses: A, B e C para operarem em terra, conforme mostra a tabela abaixo. A classe S não possui valores especificados por se tratar de turbinas especiais, mas as demais classes se diferenciam pela velocidade de referência do vento médio de 10 minutos. Sendo as turbinas Classe I com maior velocidade de referência e as de Classe III com menor velocidade de referência.

A norma IEC 61 400-1, define a Velocidade de Referência como sendo o vento extremo médio de 10 minutos, com recorrência de 50 anos¹, na altura do Hub que a turbina deve suportar. 

Classes de Turbinas Eólicas

Contudo, a Velocidade de Referência não representa todos os esforços no equipamento, e as subclasses consideram a turbulência do vento.

O I_ref representa o parâmetro básico da classificação das subclasses. A norma IEC define esse valor como o valor esperado da intensidade da turbulência com média móvel de 10 minutos na altura do hub com velocidade média do vento de 15 m/s.

Além disso, define-se a vida útil de projeto das turbinas especificadas pela norma em pelo menos 20 anos.

Os critérios de projeto de turbinas eólicas dividem o regime de vento do local do projeto em condições normais e condições extremas.

O regime de ventos em condições normais corresponde ao comportamento durante as condições normais de operação da turbina gerando energia.

Por outro lado, as condições extremas representam condições extremas de vento que podem ocorrer com entre um e 50 anos.

Independentemente do tipo de turbina horizontais, o vento possui três componentes: longitudinal, lateral e vertical.

A componente longitudinal representa a componente horizontal dominante, segue a direção da velocidade média, e a turbina horizontal deve se orientar na sua direção.

A componente lateral consiste na componente horizontal perpendicular à componente longitudinal.

Finalmente, a componente vertical corresponde à componente perpendicular às duas componentes horizontais.

Referências

• SHEPHERD, W., ZHANG, L., Electricity Generation using Wind Power, World Scientific, 2011.