TRABALHO DE CONDICIONAMENTO DE ENERGIA
OUTUBRO/2014
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
ENGENHARIA ELÉTRICA
GERAÇÃO EÓLICA DE ENERGIA ELÉTRICA
Luiz Felipe Brum - 17100
Lincoln da Costa Romaro - 18940
Alexandre Fonseca Rocha Barreto - 18899
Mauro Bonésio Neto - 18953
André Luiz de Castro Filho - 18903
Felipe Corrêa - 18998
Henrique V. F. de Carvalho Filho - 18930
Matheus Henrique Müller - 19004
Orientador: Prof. Dr. José Maria de Carvalho Filho
Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE)
Resumo – O presente trabalho apresenta, de forma
sucinta, os principais pontos sobre a geração de energia
elétrica a partir da geração eólica. A intenção deste
trabalho, é informar a respeito da matriz eólica no
Brasil atualmente e uma breve comparação com a
matriz eólica no resto do mundo, dar uma breve
informação a respeito das tecnologias aplicadas nos
aerogeradores, dos tipos de controle de potência e dos
tipos de velocidade de operação. Além claro, dos
impactos na qualidade da energia elétrica que este tipo
de geração insere na rede elétrica e das formas de
armazenamento de energia possíveis para este tipo de
geração.
Com o crescimento contínuo da demanda de energia
elétrica no mundo são necessários investimentos em
pesquisas e tecnologias em novas formas de geração,
em destaque a energia eólica, fonte renovável e limpa,
para que a continuidade e a qualidade da energia
elétrica entregue ao consumidor sejam garantidas.
Palavras-Chave: Geração Eólica, Armazenamento da
Energia Eólica, Potencial de Geração Eólica,
Qualidade da Energia Elétrica.
I – INTRODUÇÃO
Embora potenciais eólicos venham sendo utilizados
desde a antiguidade para aproveitamento da energia
mecânica, a geração de energia elétrica a partir dos
ventos teve início no final do século XIX graças à
adaptação dos cata-ventos por Charles F. Bruch, um
industrial americano, que ergueu na cidade de Clevand,
no estado de Ohio, a primeira instalação que fornecia 12
kW em corrente contínua, capaz de alimentar 350
lâmpadas incandescentes e ficou em operação por 20
anos.
Várias pesquisas em aproveitamento da energia eólica
em geração de energia foram realizadas no início do
século XX devido ao avanço da rede elétrica. Nesse
mesmo século foi desenvolvido na Rússia o aerogerador
Balaclava, capaz de fornecer 100 kW, conectado a uma
usina termoelétrica por meio de uma linha de transmissão
de 6,3 kV.
Outros modelos com capacidade maiores (1 MW e 5
MW) foram desenvolvidos a partir do Balaclava. À
época, esses projetos não tiveram continuidade devido à
desvantagem frente à concorrência com outras
tecnologias, em especial a de combustíveis fósseis.
Porém, durante a Segunda Guerra Mundial (1939-1945)
com a necessidade de se economizar combustíveis
fósseis, houve grande incentivo à pesquisa de
aerogeradores de médio e grande portes. Entretanto, com
o fim da guerra, os combustíveis fósseis e as usinas
hidrelétricas voltaram ao destaque e os aerogeradores
foram construídos apenas para fins de pesquisa.
Apesar da geração de energia elétrica a partir da energia
eólica não ser competitiva na maioria dos países, há que
se considerar aqueles que não possuem reservas de
combustíveis fósseis e tampouco grandes capacidades
hidrelétricas, porém, em contrapartida possuem grande
potencial eólico, dando continuidade às pesquisas e ao
investimento nesse tipo de geração.
Além da questão tecnológica, não menos importante
nesse tipo de geração, são a avaliação do potencial
existente, o cumprimento das determinações regulatórias ,
formas de armazenamento da energia elétrica gerada,
mitigação dos problemas de qualidade da energia elétrica
gerados pela inserção de aerogeradores à rede elétrica e
leis ambientais locais [1].
II – GERAÇÃO EÓLICA
Os ventos são gerados pelo aquecimento não uniforme
da superfície terrestre, sendo assim, a Energia Eólica é
um resultado direto da radiação solar. Estima-se que 2%
da energia solar absorvida pelo planeta são convertidas
em energia cinética dos ventos [1]. Este percentual,
embora pareça pequeno, representa centena de vezes a
potência anual instalada nas centrais elétricas do mundo.
Através da energia cinética contida nos ventos, que são
massas de ar em movimento, obtém-se a energia eólica.
Isso ocorre por meio de conversão da energia cinética de
translação em energia cinética de rotação, com o emprego
de aerogeradores, também denominadas turbinas eólicas,
para geração de energia elétrica.
Os ventos são abundantes fontes de energia renovável e
limpa, e estão presentes em todos os lugares, embora
ocorram com maior frequência em algumas áreas e menor
em outras, com maior ou menor intensidade em alguns
meses do ano, ou em certas horas do dia. Os ventos ainda
variam sobre a superfície terrestre em direção e sentido.
Portanto, é um recurso variável no tempo e no espaço,
ele é dependente do local e das condições geográficas e,
em relação ao tempo, ele possui alterações das suas
grandezas, tais como: direção, sentido e intensidade,
podendo ser classificado em quatro períodos: anual,
mensal, diário e curto-prazo.
Para se determinar o comportamento e os valores
climáticos de uma região com precisão são necessários
décadas, assim como são necessários cerca de cinco anos
para se conseguir um valor confiável de velocidade média
anual dos ventos. O estudo rigoroso do regime dos ventos
tem como finalidade avaliar o comportamento dos ventos
no futuro, visando o seu aproveitamento como uma fonte
de energia.
Tendo em vista que a velocidade do vento pode variar
significativamente em curtas distâncias (algumas
centenas de metros), os procedimentos para avaliar o
local no qual se deseja instalar turbinas eólicas devem
levar em consideração todos os parâmetros regionais que
influenciam nas condições do vento. Entre os principais
fatores de influência no regime dos ventos destacam-se:
 A variação da velocidade com a altura;
 A rugosidade do terreno, que é caracterizada pela
vegetação, utilização da terra e construções;
 Presença de obstáculos nas redondezas;
 Relevo, que pode causar efeito de aceleração ou
desaceleração no escoamento do ar.
III – CENÁRIO NACIONAL DA GERAÇÃO
ENERGIA EÓLICA
DE
O Brasil é privilegiado em termos de ventos por
apresentar uma média duas vezes superior à média
mundial e pela pouca alteração na velocidade dos ventos,
sendo possível prever o volume a ser produzido. Outro
ponto interessante é de que como esta velocidade do
vento costuma ser maior em períodos de seca, é possível
utilizar as usinas eólicas em complementação com as
usinas hidrelétricas, assim preservando a água nos
reservatórios nos períodos de estiagem, "estocando" a
energia elétrica. Por fim, as estimativas constantes do
Atlas do Potencial Eólico, apontam para um potencial de
geração eólica de 143 mil MW no Brasil.
A primeira turbina eólica instalada no país foi no
Arquipélago de Fernando de Noronha, em 1992. Esta
turbina possuía uma potência de 75 kW, um rotor de 17
metros de diâmetro de torre de 23 metros de altura [2].
O maior potencial eólico no Brasil é localizado na
região Nordeste, com 75 GW. Em seguida temos o a
região Sudeste, com 27,7 GW. A região sul está em
terceiro lugar, com uma produção de 22,8 GW. Abaixo,
apresenta-se um mapa com a capacidade de produção de
cada região brasileira [2].
Figura 1 - Potencial eólico nacional
Segundo o BIG (Banco de Informações de Geração) da
ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), as 17
usinas eólicas em operação em novembro de 2008,
apresentaram um potencial instalado de 273 MW. Isto é
o resultado de como o país está se desenvolvendo e
investindo no quesito de energia eólica, visto que em
2003, o Brasil dispunha de um potencial eólico total
instalado de 22 MW, sendo possível verificar um
crescimento anual médio de 65%. É importante destacar
que não foi somente o número de unidades geradoras que
aumentou, mas também a sua potência e seu porte [2].
O emprego da energia eólica no país teve início com o
Programa de Fontes Alternativas de Energias Renováveis
(PROINFA), em 2004. Os investimentos neste tipo de
energia foram baixos nos anos de 2005 a 2008, mesmo
tendo um aumento considerável na produção da mesma,
já destacada anteriormente. Porém, a partir de 2012, os
investimentos ganharam um impulso, devido ao
financiamento proposto pelo BNDES (Banco Nacional de
Desenvolvimento Econômico e Social) e pelo BNB
(Banco do Nordeste do Brasil) e pelo incentivo do ICMS
para a instalação de novos parques eólicos, resultando
numa potência instalada no país, em 2012, de 2,5 GW. A
seguir, tem-se um gráfico mostrando a evolução da
capacidade eólica do país, junto de uma projeção para até
o ano de 2018:
No primeiro semestre de 2014, a situação da energia
eólica no mundo foi bastante satisfatória, com um
incremento de 17,6 GW na capacidade total do planeta. É
esperado que para o fim de 2014 a potência instalada em
todo o mundo seja de 360 GW, um aumento de 7% em
comparação ao final do primeiro semestre (336 GW). [4]
Figura 2 - Capacidade eólica instalada no país
Figura 3 - Capacidade mundial total instalada
Na América Latina, o Brasil é líder na capacidade
instalada, representando cerca de 72% da capacidade
total. Tem possibilidade para o abastecimento de cerca de
7,5 milhões de pessoas e corresponde a 2% da
participação na matriz elétrica brasileira, ficando atrás
das hidrelétricas e térmicas. Entretanto, a melhoria na
eficiência e a queda nos custos de produção e instalação
das turbinas eólicas, vem tornando a utilização deste tipo
de energia, competitivo no mercado [3].
Outro fator importante que cabe ressaltar, é o de que o
valor dessa energia é baixo, como se pôde analisar no
segundo leilão de fontes de energia alternativas,
organizado pela ANEEL em agosto de 2010, em que as
fontes de energia eólica apresentaram os melhores preços,
R$ 134,23 por MWh, confirmando a tendência da
redução dos preços por megawatt/hora para este tipo de
energia.
Sendo assim, a geração de energia elétrica no âmbito
nacional por meio de turbinas eólicas, apresenta uma
alternativa para diversos tipo de demandas, em que as
pequenas centrais podem suprir pequenas localidades
distantes da rede e as centrais de grande porte tem
potencial para atender uma parcela significativa do
Sistema Interligado Nacional (SIN) com alguns
benefícios:
 contribuindo para a redução da emissão de gases
poluentes atmosféricos pelas usinas térmicas [3];
 diminuir a construção de grandes reservatórios
para centrais hidrelétricas, que causam um
grande impacto ambiental [3];
 complementaridade com as hidrelétricas, para
épocas de estiagem, fornecendo a possibilidade
de um armazenamento de água nos
reservatórios. [3]
Os cinco países que mais contribuíram com o aumento
da instalação de novas turbinas eólicas são: China (41%),
Alemanha (10%), Brasil (7%), Índia (6%) e Estados
Unidos (5%). O contínuo aumento da capacidade de
geração de energia eólica da Ásia, ano após ano, essa
alcançou a liderança como o continente com maior
potência instalada no mundo (36,9%), ultrapassando a
Europa, que produz 36,7% de toda geração eólica. Os
principais representantes da Ásia são China, com uma
impressionante capacidade de quase 100 GW, e a Índia
com cerca de 22 GW [4].
A crise na Ucrânia serviu de incentivo para que todos
os países europeus, que dependem da energia Russa,
começassem a aumentar sua autonomia energética, com
isso há uma previsão de um aumento contínuo nas
instalações de geração de energia renovável.
A situação da América do Norte foi de igual satisfação,
que aumentou cerca de 835 MW, uma vez que no mesmo
período do ano anterior, adicionou apenas 1,6 MW em
sua capacidade [4].
Para a América do Sul, o Brasil é o grande
representante, que se tornou o 13º país com maior
potência instalada, e com previsão de alcançar a 10ª
posição no ranking. Está em 3º no ranking de país com
maior mercado para turbinas eólicas.
Na Oceania não se têm registros de fazendas eólicas na
Nova Zelândia, e na Austrália, apesar de adicionar 699
MW em sua potência instalada, não se espera outro
aumento como este em um futuro próximo, uma vez que
houve uma troca dramática de governo no país [4].
O continente africano entrou para a corrida para
aumentar suas fontes de energia renováveis. Na África do
Sul e em outros países africanos, foram instaladas
fazendas eólicas [4].
Países como Japão, que perdeu a sua posição de 15º de
país com mais potência instalada para a Polônia, e Coréia
do Sul o aumento da capacidade de ambos está em passos
lentos, com taxas de menos de 2% no primeiro semestre
IV – CENÁRIO INTERNACIONAL DA GERAÇÃO
ENERGIA EÓLICA
DE
de 2014. Isto se dá devido ao fato de que a grande
maioria da energia gerada nos dois países são
provenientes de usinas nucleares, mesmo com as
desvantagens da usina nuclear.
A Espanha e Itália também estagnaram, com um
aumento de 0,1 MW para a Espanha e 30 MW para a
Itália.
As expectativas para o final de 2014 em diante são
positivas, com aumento no investimento em geração
eólica, o que vem a tornar mais viável a sua escolha pelos
governos e concessionárias ao redor do mundo [4].
Figura 4 - Controle por perda aerodinâmica (Stall) - pás fixas
V – TECNOLOGIAS EMPREGADAS NOS
AEROGERADORES
Para especificar as tecnologias empregadas em
aerogeradores, foi subdividido em 3 itens considerados
mais relativos na construção de aerogeradores, que são
sistemas de controle de potência, velocidade de operação
e topologias para sistema eólico. Além disso, foi feita
uma análise dos conceitos aplicados nas turbinas eólicas
atualmente, considerando todo o avanço tecnológico, a
aplicabilidade e o custo [5].
1) Sistemas de Controle de Potência
Atualmente existem três técnicas utilizadas para limitar
a potência de saída de Sistemas de conversão de energia
eólica ou WECS (Wind Energy Conversion System [6],
para a condição de velocidades de vento superiores à
nominal, quais sejam:
 Controle por perda aerodinâmica (Stall): tratase de uma técnica dita passiva, utilizada em
turbinas convencionais que operam com
velocidade constante, ou seja, com um ângulo
de passo fixo (stall-regulated) [6];
 Controle do ângulo de passo (Pitch Control):
esta é uma técnica ativa, utilizada em turbinas
de velocidade variável, onde as pás são
projetadas para girar, independentemente uma
das outras, em torno de seu eixo, de maneira a
reduzir a área efetiva no caso de ocorrência de
ventos elevados (acima do nominal) numa faixa
relativamente grande, de 0 a aproximadamente
30 graus [6];
 Controle fixo ativo (Active-Stall): também
conhecido como sistema controlado (combistall ), pois utiliza uma combinação dos dois
métodos anteriormente descritos. Neste sistema,
o grau de liberdade das pás é bastante limitado,
podendo variar normalmente de 0 a 4 graus [6];
Figura 5 - Controle do ângulo de passo (Pitch Control) - pás
com ângulo variável
2) Classificação de WECS em função da
velocidade de operação: fixa ou variável

Sistemas de conversão eólica de velocidade fixa:
Sistemas de conversão de energia eólica de velocidade
fixa caracterizam-se por uma operação a velocidade
praticamente constante, resultado de um acoplamento
direto e rígido com a rede elétrica. Isto significa que,
independentemente da velocidade do vento, a velocidade
do rotor do gerador eólico é fixa e determinada pela
frequência da rede elétrica ao qual está conectado.
Devido a esse tipo de acoplamento, os efeitos nas
máquinas eólicas são transferidos também de forma direta
para o sistema elétrico e, da mesma forma, perturbações
na rede de potência tem reflexo direto no aerogerador.
Assim sendo, flutuações no vento se traduzem em
flutuações mecânicas e consequentemente em variações
da potência elétrica injetada na rede de conexão, podendo
vir a afetar os padrões de qualidade da energia elétrica.
Neste tipo de topologia, o gerador de indução é a opção
mais usada pelos fabricantes de aerogeradores,
aproveitando-se assim, sua maior simplicidade e robustez
e, consequentemente, menor preço.
Este tipo de conexão utilizam turbinas de eixo
horizontal, com três pás, rotor montado upwind, stall
regulated, constituem a extensa maioria das aplicações
atualmente
em
operação,
correspondendo
a
aproximadamente 60% dos casos [6].
Como uma das desvantagens do gerador de indução
aponta-se a necessidade de troca de potência reativa com
a rede, necessária a sua excitação e, portanto, a exigência
de um equipamento adicional para correção do fator de
potência.
Figura 6 - Arranjo típico de uma turbina de velocidade fixa,
que utiliza o chamado conceito dinamarquês - CSCF (Constant
Speed Constant Frequency).

Sistemas de conversão eólica de velocidade
variável:
Nos últimos anos as turbinas de velocidade variável
têm-se tornado o tipo de tecnologia dominante na geração
eólica. As turbinas de velocidade variável são projetadas
para alcançar máxima eficiência aerodinâmica numa
ampla faixa de velocidades.
Com a operação em velocidade variável torna-se
possível adaptar a velocidade rotacional da turbina
(acelerando ou desacelerando) à velocidade do vento.
Dessa maneira, a relação de velocidade¸ é mantida num
valor predefinido constante, de maneira a alcançar uma
velocidade tal que leve a um ponto de operação de
máximo coeficiente de potência. Contrariamente aos
sistemas de velocidade fixa, os sistemas de velocidade
variável
mantém
o
conjugado
do
gerador
aproximadamente constante e, as variações de potência
causadas por variações do vento, são absorvidas,
principalmente, por variações na velocidade do rotor do
gerador e, consequentemente, da velocidade do rotor da
turbina.
A configuração típica dos sistemas de velocidade
variável consiste de um gerador síncrono ou de indução
com rotor bobinado, conectado à rede elétrica,
assincronamente, através de um sistema conversor de
frequência. O conversor mencionado é indispensável
neste tipo de esquema, pois, como é sabido, os geradores
síncronos operam com frequência diretamente
proporcional à velocidade de rotação do rotor, dessa
forma, a conexão à rede elétrica, de frequência definida,
somente pode ser efetuada da forma mencionada [6].
Figura 7 - Esquema típico de uma turbina de velocidade
variável ilustrando os principais componentes - VSCF
(Variable Speed Constant Frequency).

Vantagens da utilização
velocidade variável:





de
sistemas
de
Aumento da energia extraída do vento;
Redução do ruído em baixas
velocidades do vento;
Conexão suave à rede elétrica, de
frequência constante;
Eventual ausência de caixa de
velocidades.
Desvantagens da utilização de sistemas de
velocidade variável:






A
eficiência
dos
conversores
eletrônicos;
A produção de harmônicos;
Comportamento do sistema elétrico em
condições extremas de vento;
Compatibilidade eletromagnética;
Estabilidade dinâmica e transitória
(apesar de ter melhor desempenho do
que os sistemas de velocidade
constante);
Interferência na qualidade da energia
do sistema ao qual está conectado.
3) Principais topologias para o Sistema Eólico
Basicamente, existem três conceitos atuais de sistemas
de conversão eólicos, sendo as outras versões existentes
variações destes. Na sequência é feita a descrição de cada
uma das topologias, ressaltando as características mais
importantes de cada uma delas [6].
a) Sistemas de conversão eólica de velocidade
fixa dotados de gerador de indução
diretamente conectado à rede elétrica
A turbina eólica de velocidade constante, conforme já
mencionado na seção anterior, está associada
normalmente a um gerador de indução em gaiola de
esquilo acoplado diretamente à rede elétrica. Neste caso,
o rotor da turbina está conectado ao gerador elétrico
através de uma caixa de transmissão de velocidade
(gearbox).
No conceito aqui descrito, a potência extraída do vento
é limitada utilizando-se o método de entrada em perda
aerodinâmica ou stall, descrito anteriormente. Isto
significa que o rotor é projetado de forma tal que a sua
eficiência diminui à medida que a velocidade do vento
aumenta, impedindo dessa forma, que a potência
mecânica extraída do vento se torne muito elevada. A
figura 8 ilustra o arranjo anteriormente descrito, e exibe
os principais componentes deste conceito, até o ponto de
conexão com a rede elétrica. Salienta-se que geradores
como o descrito nesta seção, normalmente são conectados
através de dispositivos de partida suave, soft Starter, de
maneira a suavizar os transitórios durante a fase de
conexão com a rede elétrica. O banco de capacitores
identificado na figura destina-se a compensar a demanda
de potência reativa do gerador de indução utilizado nesta
topologia, aliviando, dessa forma as redes de conexão.
Esta prática é necessária sobretudo quando estes recursos
de geração são conectados a redes fracas. Dessa forma,
consegue-se atingir fatores de potências próximos à
unidade [6].
gerador através da uma caixa de transmissão. Entretanto,
nesta topologia, é permitida a variação da velocidade
numa faixa estreita. Outro fato que merece ser destacado
é o tipo de controle de potência, neste caso, utiliza-se a
variação do ângulo de passo das pás para limitar a
potência extraída do vento (pitch control ) para elevadas
velocidades do vento [6].
Figura 9 - Topologia de um WECS de velocidade variável,
dotado de gerador de indução de dupla alimentação
conectado à rede elétrica através de um conversor de
frequência.
ii.
Sistemas dotados de gerador de
indução
com
rotor
bobinado
conectado à rede elétrica através de
um dispositivo para partida Suave
(soft starter)
Outro arranjo possível, derivado do anterior, é o uso de
geradores de indução com rotor bobinado conforme
ilustrado na figura 10. Trata-se da proposta de um
fabricante dinamarquês, o qual produz turbinas com
escorregamentos do gerador variáveis (velocidade do
rotor), podendo alcançar variações da ordem de até 10%
da velocidade do gerador. O sistema mencionado utiliza
um conversor controlado, através do qual a resistência do
rotor do gerador pode ser manipulada [6].
Figura 8 - Topologia de um sistema de conversão eólico de
velocidade constante acoplado à rede elétrica.
b) Sistemas de conversão eólica de velocidade
variável dotados de gerador de indução
Tem-se abaixo uma abordagem das principais técnicas
utilizadas pelos fabricantes de aerogeradores deste tipo de
arranjo, para o caso de geradores de indução.
i.
Sistemas dotados de gerador de
indução de dupla alimentação
conectado à rede elétrica através de
um conversor de frequência
Em sistemas deste tipo, o enrolamento do rotor é
alimentado usando um conversor VSI (Voltage Sourced
Imposed) back-to-back. Como no caso do conceito
anterior, o eixo (rotor) da turbina eólica está conectado ao
Figura 10 - Topologia de um WECS de velocidade variável
equipado com um gerador de indução com rotor bobinado
conectado à rede elétrica através de um dispositivo para
Partida Suave (Soft Starter).
c)
Sistemas de conversão eólica de velocidade
variável dotados de gerador síncrono
conectado à rede elétrica através de
conversor de frequência
O terceiro conceito consiste de uma turbina eólica de
velocidade variável, equipada com um gerador síncrono
de acionamento direto. Este gerador pode ter um rotor
enrolado ou utilizar imãs permanentes. O acoplamento
deste tipo de WECS com o sistema elétrico pode ser feito
através de um conversor VSI back-to-back ou um
conversor composto de um retificador não controlado
(ponte a diodos) e um inversor VSI (Voltage Sourced
Imposed).
A definição do gerador elétrico, retificador e inversor
de frequência deve ser realizada em duas etapas
praticamente independentes. O gerador e o retificador
devem ser escolhidos de forma combinada e o inversor
pode ser especificado praticamente independente do
gerador e retificador usado.
O gerador síncrono utilizado neste tipo de arranjo é uma
máquina especial, multipólos de baixa velocidade, com
um grande diâmetro, tornando dispensável o uso da caixa
de transmissão, sendo esta uma grande vantagem deste
conceito. Além disso, neste caso, a faixa de variação da
velocidade permitida é ampla, uma vez que ocorre a
retificação num primeiro momento e, em seguida, a
inversão. O sistema elétrico deve, portanto, consistir de
três partes principais: gerador, retificador e inversor.
Como no segundo caso, a potência extraída do vento é
limitada pelo controle do ângulo de passo das pás, ou
seja, pelo pitching das pás do rotor em velocidades do
vento elevadas [6].
Figura 11 - Topologia de um WECS de velocidade variável,
dotado de gerador síncrono conectado à rede elétrica através
de um conversor de frequência.
4) Evolução dos conceitos de turbinas eólicas
Dos diferentes conceitos de turbinas eólicas discutidos,
verificou-se que as diferenças construtivas e/ou de
tecnologia, se refletem também em distinção de
desempenho dos aerogeradores. Se a análise se dá entre
equipamentos de velocidade constante e os de velocidade
variável, constata-se que uns apresentam vantagens e
desvantagens em relação aos outros. Todavia,
complementarmente à análise comparativa já realizada
em itens anteriores, turbinas eólicas de velocidade
constante, por exemplo, embora sejam relativamente de
construção mais simples e robusta, por outro lado,
acumulam maior número de desvantagens [6].

Desvantagens das turbinas eólicas de velocidade
constante:
 Carência de controle de potências ativa
e reativa;
 Cargas mecânicas elevadas, porque
flutuações de potência são traduzidas
em pulsações do torque, podendo levar
a falhas na caixa de transmissão;
 Devido
à
impossibilidade
de
armazenamento de energia (por
exemplo, na forma de energia cinética),
face a suas características de
dependência da tensão e frequência do
sistema de potência, verificam-se
variações na potência de saída, que
podem
manifestar-se
na
forma
flutuações de tensão.
Esses e outros aspectos já descritos têm sido
fundamentais para o crescimento de turbinas que operam
com velocidade variável. Atualmente, há uma forte
tendência por parte de fabricantes destes equipamentos,
de voltar suas linhas de produção para esse tipo de
acionamento.

Vantagens para a aplicação de turbinas eólicas
com velocidade variável:
 O acelerado avanço da eletrônica de
potência, indispensável na operação de
turbinas eólicas de velocidade variável,
acompanhado de uma sensível redução
dos custos destes materiais, está
tornando-os rapidamente acessíveis e
confiáveis.
Além
disso,
o
desenvolvimento de novos materiais,
mais leves e resistentes, propiciou o
desenvolvimento de máquinas de maior
potência, o que se constitui num
atrativo para a sua introdução como
mais uma alternativa para a geração de
energia elétrica;
 Turbinas eólicas a velocidade variável
apresentam um desempenho superior
em relação à turbinas de velocidade
constante, pelo fato da velocidade
ótima do rotor poder ser alcançada para
cada velocidade do vento;
 O aumento das dimensões das turbinas
eólicas acarreta o acréscimo das cargas
mecânicas. Este efeito, no entanto,
pode ser amenizado pela operação a
velocidade variável, principalmente
com a ausência da caixa de
transmissão;



As turbinas eólicas de velocidade
variável oferecem um controle flexível
da potência reativa, o que constitui uma
grande vantagem, particularmente em
aproveitamentos remotos e também nas
costas marítimas (offshore);
Turbinas eólicas a velocidade variável
podem ser adequadas com maior
facilidade às exigências legais, em
termos dos requisitos mínimos da
qualidade da energia elétrica gerada.
Esta
questão
é
especialmente
importante quando relacionada com
grandes parques eólicos, em função da
vultosa
quantidade
de
energia
envolvida;
Possibilidade de armazenamento de
energia, na forma de energia cinética
inercial. Isto é devido à grande inércia
do rotor do aerogerador e a
característica
de
operação
com
velocidade variável, pelo uso do
conversor de frequência e consequente
desacoplamento entre ambos sistemas.
VI – IMPACTO DE GERADORES EÓLICOS NA
QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA
Para o contexto da energia eólica, a qualidade da
energia indica o desempenho elétrico do sistema de
geração via aerogeradores sob quaisquer perturbações
sobre a rede. Estes distúrbios devem ser mantidos dentro
dos limites estabelecidos pelo operador da rede.
1.
Distúrbios
A Tabela 1 descreve os principais distúrbios causados
por aerogeradores na rede elétrica e as respectivas causas,
que podem ser resumidas em condições meteorológicas,
do terreno, e especificamente sobre as características
elétricas, aerodinâmicas, mecânicas e de controle
presente no aerogerador [2].
Tabela 1 - Distúrbios causados por aerogeradores à rede
elétrica
Distúrbios

Elevação e
Causa

queda de
Valor médio da potência
produzida;
tensão

Flutuações de
tensão e
Flicker






Operações de chaveamento;
Efeito de sombreamento da
torre;
Erro de passo da pá;
Erro de mudança de direção
Cisalhamento do vento;
Flutuações da velocidade
Distúrbios

Harmônicos

Causa
do vento;
Intensidade de turbulências;

Conversores de frequência;

Controladores
tiristorizados;
Consumo de

Capacitores

Componentes indutivos ou
potência
geradores síncronos.
reativa
Deve-se ressaltar a importância de se realizar um bom
planejamento e projeto. A disposição das máquinas
eólicas no parque implica em diferentes níveis de
potência entregue para cada unidade geradora, visto que
os geradores à montante farão melhor aproveitamento do
vento.
Para o caso dos harmônicos, uma grande fonte são os
conversores de frequência utilizados na conexão dos
geradores eólicos à rede elétrica. Assim, os geradores
eólicos assíncronos ou síncronos quando ligados
diretamente à rede elétrica não necessitam de maiores
atenções neste aspecto [2].
2.
Principais indicadores de qualidade
No estudo da qualidade alguns parâmetros se fazem
disponíveis:
a) Potência Reativa
Enquanto os geradores de indução consomem energia
reativa (60% a plena carga), os geradores síncronos
podem produzir ou consumir energia reativa. O reativo
necessário ao funcionamento desses transformadores
implica em perdas. Para isso, se faz a compensação de
reativo via banco de capacitores [7].
b) Variação de Tensão
A variação de tensão é a causa mais comum entre as
reclamações sobre a qualidade da tensão. Sob o ponto de
vista do produtor, as variações cíclicas diárias do vento
causam a variação de tensão. Em fase de projeto é feita a
caracterização destas variações e se averigua as ações
corretivas possíveis para a produção de energia.
Outro distúrbio considerado é o afundamento
momentâneo de tensão (AMT). Até recentemente uma
turbina eólica era desconectada quando a tensão de seus
terminais caía abaixo de 80%. Devido ao seu pequeno
impacto na rede, isso era aceitável. Com a crescente
participação da geração eólica na matriz energética
brasileira, aerogeradores devem permanecer em operação
mesmo que a tensão remanescente no ponto de
acoplamento comum atinja 20% da tensão nominal
durante 0,5s [11]. Na figura 12 é apresentado um gráfico
típico de suportabilidade de aerogeradores frente a
afundamentos momentâneos de tensão (AMTs).
Figura 12 - Curva de suportabilidade proposta para
aerogeradores frente a AMT's
Como corretivo às variações, pode-se realizar as
seguintes operações:
- Instalação de transformadores com regulação de
carga;
- Instalação de BCs variáveis e controláveis;
- Reajuste dos Tapes dos trafos instalados;
- Ajuste da potência reativa fornecida localmente;
- Reforço da rede elétrica;
- Desligamento da central eólica (em último caso) [7].
c)
Flicker (até 35 Hz)
São pequenas e rápidas variações de tensão,
normalmente provocadas por variações da velocidade do
vento, aliadas a aspectos dinâmicos estruturais das
turbinas eólicas [7]. Há a emissão de Flicker para os
seguintes casos:


Emissão de uma ou mais turbinas durante
operação de mudança de gerador e partida
da(s) mesma(s);
Emissão contínua de várias turbinas;
Figura 13 - Relação entre corrente e frequência em inversores
PWM
e)
A conexão e desconexão de equipamentos e máquinas
de indução implicam em:


Perturbações na rede;
Elevados picos de torque no acionamento da
turbina de vento ligada diretamente ao gerador
de indução [7];
3.
Mitigação dos distúrbios de qualidade da
energia elétrica
Pode-se mitigar os efeitos através de:
a) Softstarters



d) Harmônicos
Os inversores do tipo PWM geram harmônicos de
corrente da ordem de kHz (múltiplos de 3). A figura 13
mostra a curva de corrente para diferentes frequências:
Operações de chaveamentos
Limitam a corrente a cerca de duas vezes a
nominal;
Tem uma capacidade limitada térmica e é
curto-circuitado por um contator que pode
conduzir a corrente a plena carga quando a
ligação à rede for concluída;
Atenua os picos de torque no entreferro do
gerador associadas com os picos de corrente e
consequentemente, reduz a cargas sobre a
caixa de velocidades [7].
b) Proteção
Os geradores devem ser desligados do sistema quando
em afundamento de tensão, provocados por curtoscircuitos ao longo da rede. Neste caso, utilizam-se:


Interruptores AC baseados em SCR's back-toback: 16,67 [μs];
Chaves de estado sólido tipo GTO ou IGTC: 2
a 3 [ms] [7].
VII – FORMAS DE ARMAZENAMENTO DE
ENERGIA EÓLICA
A energia eólica pode ser convertida em energia
mecânica ou energia elétrica. Quando convertida em
energia mecânica, dizemos que é um aeromotor. Quando
em elétrica, um aerogerador.
Um dos maiores problemas da geração eólica é que a
energia advinda deste meio não é constante, de tal forma
que às vezes falta energia e às vezes sobra energia em
relação a uma demanda que a curto e médio prazo se
comporta com poucas oscilações. Para solucionar esse
problema, criaram-se formas de armazenamento para
evitar desperdício e escassez [8].
É importante ressaltar que o armazenamento é crítico
em sistemas isolados, pois nesses sistemas uma variação
de ventos pode gerar interrupção de abastecimento. Além
disso, também é importante ressaltar que raramente um
sistema é abastecido unicamente pela energia eólica e
seus armazenamentos. Em via de regra, principalmente
por uma questão de confiabilidade, existe uma forma de
alimentação secundária para tornar o sistema mais
robusto [9].
Do ponto de vista das concessionárias, o
armazenamento de energia faz com que seja possível
armazenar energias em períodos que o preço da energia
está mais barata para revende-la durante períodos de pico
de energia, garantindo lucros maiores.
Figura 14 - Planta básica de armazenamento em bateria
b) Hidrogênio
Também é uma forma de armazenamento
eletroquímico. O processo se dá através do processo de
eletrólise da água. A corrente elétrica gera a separação da
água (eletrólise) e a geração de moléculas de hidrogênio e
oxigênio. O hidrogênio é armazenado (engarrafado e
liquefeito ou em hidratos metálicos) para posteriormente
poder ser recombinado com o oxigênio gerando energia
elétrica. É uma tecnologia em desenvolvimento que, no
momento, não é capaz de atender grandes cargas [10].
c)
1.
Térmico
Tipos de armazenamento
Diversos métodos podem ser empregados para o
armazenamento da energia provinda dos aerogeradores,
dentre eles, os mais utilizados e que se encontram em
destaque devido a aplicabilidade, são:
Este método utiliza resistores (que na passagem de
corrente elétrica liberam calor pelo Efeito Joule) para
aquecer água que pode ser armazenada tanto na forma de
água aquecida como na forma de vapor. Normalmente
não é utilizado como forma de armazenamento por
apresentar muitos desperdícios [10].
a) Baterias recarregáveis
d) Reservatórios por motor-bomba
É uma forma de armazenamento eletroquímica que
consegue reverter as reações de oxidação/redução
ocorridas em seu interior, podendo, portanto se
descarregar (quando estiver suprindo energia) e se
carregar (quando estiver sobrando energia). Nota-se
também que existem diversos tipos de baterias utilizadas,
as mais utilizadas são: Bateria de Sódio-enxofre, SódioNíquel, Vanádio, Cloreto de Lítio e Brometo de Zinco
cada uma com suas respectivas características e
aplicações [9].
A planta de baterias é controlada através de um
controlador de carga. É um microcontrolador programado
para “decidir” quando a bateria deve ser carregada ou
descarregada. Para isso recebe informações da demanda,
da capacidade de armazenamento na bateria (dado
principal pois evita danos a bateria).
Além disso, como a maioria dos sistemas elétricos são
CA, é preciso instalar um inversor na saída da bateria de
forma a gerar a onda alternada antes de chegar à carga.
Uma planta básica é exibida na figura 14:
A ideia aqui é utilizar o excedente gerado para
transportar uma massa de água para um reservatório mais
alto, de forma a armazenar a energia em seu potencial
hidráulico, agindo como uma hidrelétrica (em proporções
muito reduzidas).
Foi muito utilizado até meados da década de 80, quando
por pressões ambientais sua construção se tornou
inviável. A principal alternativa era baterias mas elas não
conseguiam armazenar a mesma quantidade de energia.
Dados do Electricity Storage Handbook – 2013
estimam que a capacidade de armazenamento instalada
no mundo é de 129 GW [10].
e)
Motor-compressor
Utiliza um motor-compressor para gerar arcomprimido. Este fica, normalmente em um reservatório
no subsolo (cavernas de sal) e pode ser liberado
acionando uma turbina que gere energia elétrica. É
possível ter reservatórios artificiais, porém estes
encarecem a obra.
Junto com a tecnologia de reservatórios por motorbomba, é capaz de armazenar grandes quantidades de
energia. É uma tecnologia recente e as plantas pioneiras
estão na Alemanha e nos EUA [10].
f)
Motor-volante
É uma forma de armazenamento mecânica. Utiliza a
ideia do motor de inércia, a diferença é a partida. O
motor-volante utiliza energia elétrica para iniciar o
movimento, o segundo utiliza energia mecânica. É uma
tecnologia segura que causa muito pouco impacto ao
meio ambiente. O maior obstáculo é sua reduzida
quantidade de armazenamento [10].
2.
Aplicabilidade
MERCADO DE ENERGIA ELÉTRICA", Universidade
Federal de Itajubá, Itajubá - MG - Brasil, 2005.
[6] Carvalho, Bismarck Castillo, tese de doutorado
"DESENVOLVIMENTO DE MODELO
COMPUTACIONAL DE SISTEMAS EÓLICOS
UTILIZANDO GERADORES SÍNCRONOS PARA
ESTUDOS DE DESEMPENHO NO CONTEXTO DA
QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA",
Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia - MG Brasil, 2006.
De todos os citados, os mais comuns são o
armazenamento em bateria e através de reservatórios
motor-bomba, que devido ao seu custo tem tido uma
grande aplicabilidade e por esse motivo, foram mais
detalhados. Recentemente, tecnologias de motorcompressor vem ganhando muita força [10].
[7] GERDES, G., SANTJER, F., KLOSSE, R., 1997.
Overview and Development of Procedures on Power
Quality Measurements of Wind Turbine. 1997 European
Wind Energy Conference, 1997.
VIII – CONCLUSÕES
[8] http://www.cresesb.cepel.br/content.php?cid=251 Acessado em 22/09/2014.
A partir do que foi apresentado neste artigo, pode-se
concluir a viabilidade da utilização de aerogeradores nas
usinas de energia eólica, visto que no contexto atual tem
um custo relativamente baixo e acessível ao mercado e
são muito bem aplicados para controle da geração em
épocas de estiagem. Essas usinas podem servir como
forma de armazenamento de energia quando instaladas
próximas a usinas hidrelétricas, visto que tem regimes de
geração opostos e também tem-se diversos métodos de
armazenamento aplicados para aerogeradores, como
baterias, motores-compressores e cinética. Outro ponto
fundamental é ter um planejamento de onde se instalar,
para se ter uma geração constante, sem muita variação na
velocidade do vento, evitando assim grandes problemas
na qualidade da energia que os aerogeradores inserem na
rede elétrica, como variações de tensão e potência.
IX – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Guerreiro, Patrícia Dias, trabalho final de graduação
"Geração Eólica de Energia Elétrica", Universidade
Federal de Itajubá, Itajubá - MG - Brasil, 2012.
[2] CRESESB, Centro de Referência Para Energia Solar e
Eólica Sérgio de Salvo Brito. Disponível em:
<http://www.cresesb.cepel.br/content.php?cid=241> Acessado em 22/09/2014.
[3]Atlas da energia elétrica do Brasil, 3ª edição, Agência
Nacional de Energia Elétrica, ANEEL, Brasília, 2008.
[4]http://www.wwindea.org/webimages/WWEA.half_yea
r_report_2014.pdf - acessado em 29/09/2014.
[5] Nascimento, Marcio Henrique Lima, dissertação de
mestrado " IMPACTO DE CENTRAIS EÓLICAS NO
[9] http://www.infoescola.com/energia/armazenamentoda-energia-eletrica-energia-eolica/ - Acessado em
22/09/2014.
[10] DOE/EPRI 2013 Electricity Storage Handbook in
Collaboration with NRECA - Sandia Report – July 2013.
[11] Ferreira S. L. A., Neto A. S.,Dias R. F., Arruda J. P.,
Rosas P. A. C., Neves F. A. S., Medeiros F. C., Brasil D.
O. C., Silva S. R., Análise de Critérios de Suportabilidade
de Centrais Eólicas Durante Afundamentos Momentâneos
de Tensão.