Esta curva é obtida por meio de medições em campo onde a velocidade do vento é registrada por um anemômetro de precisão, instalado a uma distância conveniente para evitar as turbulências produzidas pelo aerogerador, e a potência de saída é medida direta- mente nos seus terminais de saída.
Desta forma, a curva de potência indica o valor da potência elétrica de saída do aerogerador em função da velocidade do vento que incide em suas pás e permitem a identi- ficação de diversas características operacionais dos aerogeradores, tais como:
• Início de Operação: Como os ventos fracos não contêm quantidade signifi- cativa de energia cinética, a geração de energia elétrica ocorre com ventos a partir de uma determinada velocidade (VLIG), normalmente da ordem de 3[m/s].
• Desligamento: Para garantir a integridade do aerogerador e a segurança nos arredores da usina eólica, durante a ocorrência de ventos de velocidade superior a de desli- gamento (VDESL), geralmente igual a 25[m/s], a rotação da turbina eólica é limitada por frei-
os aerodinâmicos e o aerogerador é o desconectado da rede elétrica.
• Religamento: Depois de desligado, para evitar que o aerogerador fique repe- titivamente ligando e desligando na freqüência das turbulências associadas aos ventos for- tes, o equipamento só é religado quando a intensidade do vento tenha diminuído a um pata- mar considerado seguro, denominado velocidade de religamento (VRELIG).
• Características Nominais: Quando submetido a ventos de velocidade nomi- nal (VNOM), geralmente em torno dos 12[m/s], a potência gerada atinge seu valor nominal
(PNOM). Logo, para os ventos a partir desta velocidade o sistema de controle de potência
deve limitar, aerodinamicamente, a captação de energia eólica para que o gerador não seja sobrecarregado.
• Tipo de Sistema de Controle de Potência: O método utilizado em determi- nado aerogerador para fazer o controle da captação de energia eólica também pode ser iden- tificado pelo formato da curva de potência. Na grande maioria dos casos, temos três possibi- lidades: Controle passivo do estol aerodinâmico; controle ativo do estol aerodinâmico; e, controle ativo do ângulo de passo.
Controle Passivo do Estol Aerodinâmico
É um sistema utilizado em turbinas com ângulo de passo fixo, que reage aerodi- namicamente à velocidade do vento: Ventos de velocidade superior a nominal causam tur- bulências sobre a superfície superior da pá, prejudicando a diferença de pressão do escoa- mento em torno da pá e, consequentemente, diminuindo a força de sustentação (FL) e au-
Figura 3.29 – Curva de potência de turbinas eólicas com controle passivo do estol.
Para continuar captando energia sob ventos de velocidade superior à nominal, as pás possuem um perfil longitudinal levemente torcido de maneira a provocar um efeito estol gradativo. Ou seja, com intensidade mínima sob ventos de velocidade menor ou igual à no- minal, que vai aumentando proporcionalmente a velocidade do vento, até atingir intensidade máxima sob os ventos muito fortes. Nestas condições, as turbinas eólicas com controle do estol apresentam uma curva de potência semelhante à mostrada na Figura 3.29.
Neste tipo de turbina são produzidas menores forças de sustentação, o que resul- ta em menor eficiência na captação da energia eólica e maiores forças de arrasto, o que im- plica aerogeradores mais robustos, especialmente na estrutura das pás e da torre. Contudo, são construtivamente simples e proporcionam um controle da captação de potência comple- tamente independente de atuadores eletro-mecânicos e de sistemas de controle eletrônicos.
Controle Ativo do Estol Aerodinâmico
Em turbinas que permitam a variação de seu ângulo de passo, ou seja, a rotação das pás em torno de seu eixo longitudinal e com um sistema de controle adequado, pode-se controlar ativamente o estol aerodinâmico: Sob ventos de velocidade maior que a nominal,
o ângulo de passo é modificado de maneira a provocar um efeito estol de intensidade pro- porcional à velocidade do vento. Assim, como o controle agora é ativo, a curva de potência (Figura 3.30) e todas as outras características são semelhantes às das turbinas com controle ativo do ângulo de passo.
As turbinas de passo variável são mecanicamente mais complexas e requerem sistemas de controle mais sofisticados, no entanto apresentam vantagens significativas sobre as turbinas de passo fixo, dentre as principais: Controle ativo da captação da energia eólica sob ventos de qualquer velocidade, mesmo em condições de baixa massa específica do ar; partida com o ângulo de passo mais adequado; diminuição da carga sobre as pás com o au- mento do vento; estrutura mecânica menos robusta, especialmente das pás e da torre; sob ventos extremos as pás podem ser embandeiradas, tornando desnecessário o uso freios me- cânicos robustos nas paradas de emergência.
Figura 3.30 – Curva de potência típica de turbinas eólicas com controle ativo, tanto do estol quanto do passo.
Controle Ativo do Ângulo de Passo
Em turbinas com este tipo de controle, sempre que a potência de saída do gera- dor ultrapassar seu valor nominal, o ângulo de passo da turbina é modificado de maneira a
diminuir as forças aerodinâmicas atuantes e mantendo o escoamento aderente às superfícies das pás; desta forma, a quantidade de energia captada pode ser controlada, conforme mostra curva de potência da Figura 3.30, sem provocar o estol aerodinâmico.
Nota-se também que ventos intensos com fortes rajadas, típicos de dias tempes- tuosos, fazem com que os aerogeradores desliguem e religuem diversas vezes. Isto, além de gerar instabilidades e transitórios de chaveamento para a rede elétrica, também submete o aerogerador a grandes sobrecargas mecânicas referentes às entradas e saídas de operação sob ventos fortes e prejudica a produção de energia já que o equipamento pode ficar inativo durante um período significativo.
Todos estes inconvenientes, levaram um fabricante alemão (ENERCON, 2003) a desenvolver um sistema de controle do ângulo de passo que mantêm o aerogerador per- manentemente conectado a rede elétrica e, na ocorrência de ventos fortes (até 34[m/s]), li- mita a captação de energia eólica, conforme mostra a Figura 3.31.
Figura 3.31 – Curva de potência de turbina eólica com limitação da captação sob ventos fortes.