2 Eólica. 2.1 Projeto de criação do Centro Coppe de Tecnologia em Energia Eólica

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1 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

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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. vertical Linha de Pesquisa 1: Desenvolvimento de turbinas eólicas de eixo Linha de Pesquisa 2: Desenvolvimento de equipamento de geração de energia elétrica de pequeno porte 7

8 Linha de Pesquisa 3: Desenvolvimento de equipamento de geração de energia elétrica para áreas urbanas eólicas de eixo vertical Linha de Pesquisa 4: Mancais magnéticos passivos para turbinas 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

9 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 China- Brasil de Mudanças Climáticas e Tecnologias Inovadoras para Energia 9