- COPPE GLOBAL ENERGIA E SUSTENTABILIDADE
2 Eólica
Neste item, serão apresentadas pesquisas desenvolvidas em programas da
Coppe/UFRJ sobre a temática eólica. Entre os resultados parciais desta linha temática,
destaca-se a criação do Centro Coppe de Tecnologia em Energia Eólica.
2.1 Projeto de criação do Centro Coppe de Tecnologia em Energia Eólica
A energia eólica teve, nos últimos 10 anos, uma mudança de status significativa:
de fonte alternativa, passou para fonte energética com escala comercial, inserida na
matriz energética mundial e, mais recentemente, também no Brasil.
A evolução tecnológica da geração eólica foi impulsionada pelas pressões
ambientais dos países desenvolvidos, que têm suas matrizes energéticas ainda
fortemente baseadas em fontes não renováveis de energia intensivas no uso de
combustíveis fósseis. Políticas nacionais e internacionais fomentam a geração de
energia com baixa emissão de carbono e proveniente de fontes renováveis. Além disso,
o uso eficiente da energia tem sido estimulado tanto na geração e distribuição como no
consumo, pressionando por inovações nessas aplicações.
Outra frente de
desenvolvimento tecnológico para energia eólica é a sua integração à rede de
transmissão ou distribuição e a sua disseminação em arranjos de geração distribuída.
O progresso tecnológico em energia eólica inclui principalmente o
desenvolvimento de rotores eólicos mais eficientes e de passo variável; conversão
eletromecânica de energia a velocidade variável; emprego de equipamentos de
eletrônica de potência para conexão à rede elétrica; novos materiais para construção de
pás e torres; novas máquinas elétricas para geração em baixa velocidade; e a
eliminação de caixas de engrenagens multiplicadoras de velocidade. Todos esses
desenvolvimentos aumentaram a viabilidade e a confiabilidade da geração eólica, que
1
- COPPE GLOBAL ENERGIA E SUSTENTABILIDADE
atingiu preços próximos aos de geração de energia com combustíveis fósseis nos
países desenvolvidos. No Brasil, os leilões de energia eólica de 2009 e 2010 atingiram
patamares competitivos vantajosos em relação a usinas termelétricas a biomassa e
pequenas centrais hidrelétricas (PCH).
A perspectiva de agentes do setor eólico a respeito da nacionalização de
equipamentos não é negativa. Alguns agentes se mostram bastantes otimistas em
relação ao atendimento de exigências de índice de nacionalização, devido ao interesse
crescente das empresas de equipamentos em instalarem plantas no país. O movimento
dessas empresas se deve ao grande potencial de crescimento do mercado brasileiro,
aliado à estagnação de mercados mais desenvolvidos, devido à crise financeira da
Europa e dos Estados Unidos.
Os fabricantes de aerogeradores que atualmente fornecem para o mercado
brasileiro não dispõem de produtos verdadeiramente otimizados para as condições
climáticas do país e para conexão de parques eólicos no Sistema Interligado Nacional
(SIN) em plena conformidade com os códigos de rede vigentes no Brasil.
O panorama das indústrias de aerogeradores instaladas no Brasil, em geral,
mostra tratar-se de montadoras com produção local apenas de algumas partes
predominantemente pesadas, ou de grande volume e baixo valor tecnológico agregado,
tais como pás, torres e nacelas (gôndolas). Com isso, essas indústrias atendem a
critérios de índice de nacionalização baseados em peso, mas não em valor agregado.
As demais partes componentes de um aerogerador, em geral de maior valor tecnológico
agregado – tais como sistemas de controle e monitoramento, conversores de frequência,
rotor eólico, gerador elétrico, sistemas de giro da nacela, de passo das pás e de
lubrificação –, ainda são importadas, criando forte dependência de fornecedores
externos.
O caso chinês é bem ilustrativo da superação da dependência externa de
equipamentos. Nos anos 90, o país tinha a expansão de eólica doméstica limitada pela
dependência de turbinas importadas e pela baixa capacidade de projeto e muitas partes
2
- COPPE GLOBAL ENERGIA E SUSTENTABILIDADE
dos aerogeradores sequer eram fabricadas na própria China. Com incentivos
governamentais na área de P&D nas universidades e laboratórios nacionais, o mercado
interno chinês alcançou tal competitividade que, hoje, empresas multinacionais não
encontram mais condições de competir com os grandes fornecedores chineses de
turbinas eólicas. As melhores universidades chinesas e os centros de pesquisas das
companhias do setor estão trabalhando de forma coordenada e bem aparelhada,
determinados a alcançar, num futuro próximo, liderança mundial em tecnologias para
geração eólica.
Para o desenvolvimento de capacidade tecnológica nacional, o Brasil poderia
tomar como base o interessante caso chinês, baseado em programar políticas públicas
de Estado, mesmo ingressando tardiamente no mercado mundial de equipamentos
eólicos.
Para um desenvolvimento consistente da indústria eólica brasileira, com o
estímulo concomitante da geração de empregos de profissionais especializados, o
modelo atual de crescimento do parque industrial montador não é suficiente. Há que se
articular uma política industrial e de desenvolvimento tecnológico para que os esforços
visem alcançar o domínio da tecnologia no Brasil. Para tanto, não somente a indústria
eólica deve ser focada, mas também a indústria de base que supre seus componentes.
Ou seja, é preciso promover uma política articulada para a cadeia produtiva de eólica,
com o objetivo de obter a sua nacionalização, inclusive dos componentes de alto valor
agregado, como sistemas de controle e máquinas geradoras.
Nesse caso, o
investimento em pesquisa, desenvolvimento e inovação é um dos fatores essenciais de
maneira a atingir esse objetivo.
Objetivos Gerais
O principal objetivo deste projeto é permitir a criação do Centro Coppe de
Tecnologia em Energia Eólica.
As atividades do Centro estarão focadas na
3
- COPPE GLOBAL ENERGIA E SUSTENTABILIDADE
tropicalização de tecnologias consolidadas de turbinas eólicas e inovações voltadas para
o aprimoramento do desempenho dessas turbinas para condições de clima e vento
brasileiro. Isso é o que genericamente se denomina de “tropicalização da tecnologia
eólica”.
Num estágio inicial, as pesquisas ficarão focadas em:
-
Inovações tecnológicas para projeto de pás de turbinas para condições de
clima e vento tipicamente encontradas em território brasileiro;
-
Desenvolvimento de sistemas de controle para os conversores de potência
que conectam a turbina eólica à rede elétrica, atendendo aos requisitos do
Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) e outros códigos de rede
praticados internacionalmente.
A seguir, são apresentadas as principais linhas de pesquisa integrantes do projeto
de Criação do Centro Coppe de Tecnologia em Energia Eólica.

Linha de pesquisa 1: Projeto aerodinâmico, análise de desempenho
e teste de pás de turbina eólica
Um túnel de vento, do tipo fechado e de retorno simples, com duas seções de
teste em cada lado, será projetado e construído especificamente para o teste de
aerofólios para turbina eólica
Um conjunto completo de instrumentação aerodinâmica avançada será
implementado, incluindo o sistema de translação tridimensional, medida de força e de
torque, medida de distribuição de pressão, de velocidades média e instantânea e de
intensidade turbulenta usando anemometria de fio-quente (HWA), anemometria de Laser
Doppler (LDA) e velocímetro por imagem de partículas (PIV).
Visualização de
escoamento ao redor de aerofólio 2D e rotor 3D também será implementada.
Serão montadas infraestruturas computacionais para projeto aerodinâmico
otimizado, análise de desempenho operacional e simulação computacional de pás de
4
- COPPE GLOBAL ENERGIA E SUSTENTABILIDADE
turbina eólica, que consistirão de estações de trabalhos separadas e de clusters para
computação de alto desempenho (HPC), com tecnologia da HP, IBM, Dell ou SGI, a ser
definida. Licenças de pacotes comerciais de fluidodinâmica computacional (CFD), como
ANSYS CFD, serão adquiridas. Códigos de CFD de fonte aberto, como o OpenFOAM,
também serão implementados para a simulação do rotor de turbina eólica.

Linha de pesquisa 2: Projeto de sistemas de controle, análise e teste
de conversores de potência para turbinas eólicas
A principal meta desta linha de pesquisa é desenvolver controladores digitais bem
ajustados para conversores de potência de turbinas eólicas operando sob as condições
brasileiras de vento.
O controlador será projetado para manter o gerador elétrico operando no ponto
de máxima potência, de acordo com as condições momentâneas de velocidade do
vento, e por injetar a potência gerada na rede elétrica. Diversas funcionalidades
secundárias serão adicionadas a essas duas funções principais, para assegurar
conformidade com os procedimentos de rede vigentes no Brasil para usinas eólicas.
O projeto do controlador digital da turbina eólica deve ser iniciado numa
plataforma dedicada, conhecida genericamente como hardware-in-the-loop.
Nesse
sistema, um PC executando um programa de cálculo de transitórios eletromagnéticos
(por exemplo, o pacote de simulação PSCAD/EMTDC) comunica-se com uma placa
externa de circuito impresso onde está instalado o microcontrolador (DSP) do conversor
de potência, no qual é executado o software embarcado do controlador digital. No
simulador, estão modelados todos os componentes elétricos da rede elétrica e o
conversor de potência da turbina eólica, enquanto o software embarcado do controlador
da turbina eólica é desenvolvido diretamente no DSP, já na forma como deverá ser
utilizado num aerogerador real.
A próxima etapa é realizar testes do controlador desenvolvido para turbina eólica
numa bancada de teste em escala real. Para esse objetivo, é necessário emular em
5
- COPPE GLOBAL ENERGIA E SUSTENTABILIDADE
escala real as condições nominais de torque e velocidade angular de um rotor eólico.
Para essa finalidade, deve ser disponibilizado um sistema programável, com a devida
flexibilidade para acionamento de um motor em diferentes modos de operação
(condições de vento). O motor assim controlado será conectado aos componentes da
turbina eólica sendo testados, isto é, a caixa de transmissão => gerador elétrico =>
conversor de potência.
Resultados Esperados
-
Pás de aerogeradores projetadas para desempenho otimizado em
condições climáticas tropicais e subtropicais, tipicamente encontradas em
território brasileiro;
-
Sistemas de controle para aerogeradores, englobando funcionalidades de
maximização de potência gerada e desempenho otimizado para conexão com a
rede elétrica.
-
Criação do Centro Coppe de Tecnologia em Energia Eólica
2.2 Desenvolvimento de aerogeradores de eixo vertical
A energia eólica pode ser empregada na geração de energia elétrica em sistemas
interligados na rede ou isolados, permitindo, nestes últimos, atingir regiões sem acesso
à rede distribuição. As turbinas eólicas são máquinas que utilizam a energia cinética dos
ventos, permitindo a rotação de suas pás e transformando essa energia em potência
mecânica e, posteriormente, em energia elétrica. Uma diferenciação básica entre as
tecnologias de geração eólica refere-se ao posicionamento do eixo do rotor. As turbinas
de eixo horizontal possuem pás que giram num plano perpendicular à direção principal
do vento. São as mais utilizadas atualmente. As turbinas de eixo vertical possuem suas
pás girando num plano paralelo à direção do vento.
6
- COPPE GLOBAL ENERGIA E SUSTENTABILIDADE
Objetivos Gerais
Um dos objetivos do projeto é o desenvolvimento de protótipo e cabeça de série
de turbina eólica de eixo vertical para uso em ambiente urbano. A turbina de eixo vertical
é composta por um conjunto de pás com perfil aerodinâmico capaz de transformar a
energia do vento em energia mecânica e esta em energia elétrica por meio de um
alternador de ímã permanente.
A pesquisa com mancais magnéticos passivos objetiva estudar a operação de
rotores livres de contato mecânico, tanto na posição vertical quanto na posição
horizontal. Sem atrito mecânico, os rotores movimentam-se com baixas perdas e
elevada eficiência. Especificamente, a presente proposta objetiva o desenvolvimento e a
capacitação brasileira no assunto, visando a aplicações industriais na utilização de
mancais magnéticos na geração de energia elétrica. Propõe-se a construção de um
protótipo em escala reduzida de um aerogerador de eixo vertical suportado por mancais
magnéticos.
Os motores de indução de dupla alimentação permitem a transformação de
energia eólica em energia elétrica com baixo custo em termos de circuitos de controle e
eletrônica de potência, comparativamente a outras máquinas elétricas. O maior
problema reside nas escovas, necessárias nestas máquinas. Os motores de indução de
dupla alimentação sem escovas, objeto da pesquisa desenvolvida na Coppe, vem
justamente superar esta deficiência.

Linha de Pesquisa 1: Desenvolvimento de turbinas eólicas de eixo
vertical

Linha de Pesquisa 2: Desenvolvimento de equipamento de geração
de energia elétrica de pequeno porte
7
- COPPE GLOBAL ENERGIA E SUSTENTABILIDADE

Linha de Pesquisa 3: Desenvolvimento de equipamento de geração
de energia elétrica para áreas urbanas

Linha de Pesquisa 4: Mancais magnéticos passivos para turbinas
eólicas de eixo vertical

Linha de Pesquisa 5: Motores de indução de dupla alimentação sem
escovas para geração a partir de fonte de energia eólica
Resultados Esperados
-
Protótipo e cabeça de série de turbina eólica de eixo vertical para uso em
ambiente urbano;
-
Construção de protótipos de mancais magnéticos passivos para turbinas
eólicas de eixo vertical e motores de indução de dupla alimentação sem escovas.
Equipe e Parcerias da Linha Temática Eólica
Equipe
 Antônio Carlos Ferreira
 Carlos Henrique Silva de
Vasconcelos
 Daniel Henrique Dias, Marcelo
de Almeida Lopes
 Elkin
Ferney
Rodriguez
Velandia
 Felipe Costa
Unidades e Laboratórios da UFRJ
envolvidos e Parcerias
 Laboratório de Eletrônica de
Potência e Média Tensão (Lemt)
 Laboratório de Simulação e
Métodos em Engenharia (Lasme)
 Laboratório de Máquinas Elétricas
(Labmaq)
 Laboratório de Aplicações de
Supercondutores (Lasup)
8
- COPPE GLOBAL ENERGIA E SUSTENTABILIDADE







Guilherme Gonçalves Sotelo
Maurício Aredes
Maurício C. Arouca
Ocione José Machado
Richard Magdalena Stephan
Rubens de Andrade Jr.
Su Jian
 Programa
de
Planejamento
Energético da Coppe
 Ampla
 Enersud
 Tsinghua University – Centro ChinaBrasil de Mudanças Climáticas e
Tecnologias Inovadoras para Energia
9