1 energia elétrica e fontes renováveis - DSCE
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1 energia elétrica e fontes renováveis - DSCE
Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 1 J. A. Pomilio ENERGIA ELÉTRICA E FONTES RENOVÁVEIS Energia elétrica é o melhor vetor energético disponível na atualidade. Por vetor energético se entende uma modalidade de energia que pode ser transmitido de um local a outro e pode ser transformado em outra forma de energia. Como exemplo, o gás natural, para ser levado de um local a outro, necessita de um gasoduto. No local de uso, pode ser transformado em calor (por combustão), em movimento (em um motor de combustão interna) ou em luz (por uma combustão adequada). Já a eletricidade também pode ser facilmente convertida em energia mecânica, em energia térmica ou luminosa. Seu transporte é feito por condutores metálicos, ou seja, uma infraestrutura muito mais simples, segura e de menor custo que um gasoduto, por exemplo. Outras definições importantes se referem aos conceitos de energia renovável, de energia alternativa e de energia limpa. Por energia limpa se entende uma forma de energia que, para sua produção, não leve a emissão de gases ou outros resíduos nocivos, ou que contribuam para o chamado efeito estufa. Por energia renovável se entendem as formas de energia que ocorrem na natureza e que são produzidas continuamente em decorrência da energia absorvida do sol, a qual, para efeitos da Humanidade, é suposta de duração infinita. Enquadram-se na definição as energias vindas diretamente do sol (como a fotovoltaica), do vento, da biomassa, do movimento das águas em geral (maré, ondas, desníveis, etc.). Em contraposição, as energias não renováveis são aquelas disponíveis na natureza, cuja formação se deu em longos intervalos de tempo (eras geológicas), de modo que os materiais a que estão associadas não podem ser repostos com a velocidade exigida pelo consumo. Nesse caso temse o petróleo, gás natural, carvão mineral, urânio, etc. Por energia alternativa entende-se uma forma de energia que pode vir a substituir outra. Em geral é associada a fontes para as quais não se tem garantia de produção permanente (como a eólica), mas que, no entanto, podem (e devem) ser usadas quando disponível, evitando o consumo de energia proveniente de fontes não renováveis, ou mesmo de renováveis (como a hidrelétrica). O uso destas fontes alternativas não prescinde de que exista uma fonte perene disponível para ser utilizada quando necessário, garantindo o fornecimento desejado. 1.1 A Matriz Elétrica Brasileira A figura 1.1 mostra a evolução da Matriz Energética brasileira, indicando a participação das fontes de energia. A figura 1.2 mostra a participação relativa de cada fonte. Há um crescimento absoluto de quase todos os tipos de energia, à exceção da lenha, carvão vegetal e carvão mineral. Em termos relativos, a eletricidade contribui com pouco menos de 20% do total de energia consumida no país. Os valores são dados em tonelada equivalente de petróleo (tep). Os valores somados de álcool e de bagaço de cana superam a energia elétrica. De longe, o grande insumo energético é o petróleo, usado para praticamente todo o transporte e, em boa parte, também para outras aplicações, como aquecimento e geração de eletricidade. Percebe-se, assim, importância da redução do consumo de petróleo. Isso tem como contrapartida a necessidade de um grande crescimento de produção de outras fontes de energia, de modo a suprir o que for reduzido em termos de combustíveis fósseis não renováveis. A figura 1.3 mostra a composição da Matriz Elétrica brasileira, em 2010 e 2011. Mais de três quartos da eletricidade são de fonte hidráulica. O total de fontes renováveis se aproxima de http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-1 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio 90%, sendo a matriz brasileira a mais “limpa” 1 e sustentável do mundo. O percentual de energia eólica é muito pequeno (0,5%), mas já aparece na matriz. Os estudos oficiais sobre a evolução dessa matriz até 2030 indicam uma redução relativa da fonte hidráulica (embora com aumento no valor absoluto) e um crescimento de outras fontes renováveis, principalmente a biomassa e a eólica, resultando em um aumento no total de fontes renováveis. Em termos absolutos, há a previsão de um aumento de todas as fontes, incluindo a nuclear, gás natural e carvão. Um conceito importante na concepção do sistema em geral é o de Garantia Física, que é a energia que uma fonte geradora pode assegurar (antigamente denominada “energia assegurada”) a um risco de 5%. Essa garantia é calculada por modelos de simulação da operação em base mensal sobre séries sintéticas de vazões (no caso das hidrelétricas), ou de comportamento do vento (no caso eólico) utilizando uma determinada política de despacho das usinas. Seguem alguns exemplos, nos quais se pode comparar a garantia física de alguns tipos de geração.2 Tabela 1.1 Tipo MW MW % Itaipu UHE 12.600 8.612 68,3 Ilha Solteira UHE 3.444 1.949 56,6 Parque Eólico de Osório EOL 50 17,71 35,4 Canoa Quebrada EOL 57 20,53 36 Angra II UTN 1.350 1.204,70 89,2 3 Figura 1.1 Evolução da oferta de energia (por fonte de energia). 1 A questão da emissão de gases, principalmente metano, nos reservatórios das hidrelétricas que ocupam áreas florestais é um ponto de divergência quando se discute o caráter “limpo” da energia de fonte hidráulica. 2 http://www.portalpch.com.br/index.php?option=com_content&view=article&id=461:garantia-fisica--energia-assegurada 3 http://www.mme.gov.br/mme/galerias/arquivos/publicacoes/BEN/2_-_BEN_-_Ano_Base/1_-_BEN_Portugues_-_Inglxs_-_Completo.pdf http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-2 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Figura 1.2 Evolução e consumo de energia (por fonte de energia). http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-3 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Figura 1.3 Matriz Elétrica nacional. 1.2 Energia Eólica Energia Eólica está associada à energia cinética das massas de ar em movimento, ou seja, ao vento. Seu aproveitamento é milenar, sendo utilizada na tração naval e, industrialmente, principalmente em moinhos e no bombeamento de água. O termo “eólico” provém da denominação do deus grego dos ventos, chamado Éolo, que residia na ilha flutuante de Eolias.4 O uso dos ventos para produção comercial de eletricidade se inicia na década de 70, na Dinamarca, como conseqüência das crises do petróleo. 5 Ao longo dos últimos 30 anos houve grande evolução tecnológica associada a todos os componentes de um sistema de geração eólica, desde questões estruturais das torres, passando por aspectos aerodinâmicos, dos sistemas eletroeletrônicos de potência e de controle e da injeção da energia no sistema elétrico. Conforme 6, “para que a energia eólica seja considerada tecnicamente aproveitável, é necessário que sua densidade seja maior ou igual a 500 W/m2, a uma altura de 50 m, o que requer uma velocidade mínima do vento de 7 a 8 m/s 7. Segundo a Organização Mundial de Meteorologia, em apenas 13% da superfície terrestre o vento apresenta velocidade média igual ou superior a 7 m/s, a uma altura de 50 m. Essa proporção varia muito entre regiões e continentes, chegando a 32% na Europa Ocidental”. 1.2.1 Potencial eólico O potencial eólico brasileiro, segundo o Atlas de 2001, foi calculado utilizando dados de medições de vento em todo território nacional, incorporando fatores como a altitude (foi tomado o valor de 50 m como referência), rugosidade do terreno e a variação dos ventos. Foi suposta uma ocupação conservativa de obtenção de 2 MW/km2. Considera os valores médios dos ventos (acima 4 http://www.brasilescola.com/mitologia/eolo.htm http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/06-Energia_Eolica(3).pdf 6 http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_eolica/6_2.htm 7 Grubb M. and Meyer N. Wind energy: resources, systems, and regional strategies, chapter 4, pages 157–212. In Johansson and Williams (1993), 1993 5 http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-4 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio de 6 m/s) e sua distribuição, identificando a extensão territorial em que ocorrem tais ventos, o que permite determinar a energia eólica disponível. Utiliza o fator de capacidade (Cp) para determinar a energia elétrica efetivamente disponível, bem como as curvas de eficiência dos sistemas mecânicos e de geração de energia elétrica. Os sistemas foram considerados disponíveis 98% do tempo. O fator de capacidade (Cp) de energia eólica é a razão entre a potência média presente no eixo da turbina e a máxima potência teoricamente disponível. Pode ser calculado para uma única turbina, um parque eólico ou mesmo um país. Embora a localização geográfica determine, em grande parte, o fator de capacidade de um parque eólico, o Cp é também uma questão de desenho de turbinas. Foram considerados os seguintes valores de Cp: Tabela 1.2 Velocidade (m/s2) Cp 6 a 6,5 0,13 6,5 a 7 0,17 7 a 7,5 0,20 7,5 a 8 0,25 8 a 8,5 0,30 >8,5 0,35 O mapa apresentado na figura 1.4 resulta desse conjunto de dados e de considerações e resulta em um potencial para produção de eletricidade de 143 GW (valor calculado em 2001). Estudos mais recentes, contabilizando a tecnologia atual que permite torres de maior altura, ampliam este potencial para algo em torno de 300 GW. Ainda não há um estudo mais aprofundado sobre o potencial offshore, ou seja, na superfície do mar. Algumas estimativas indicam um valor de 340 GW 8, com fator de capacidade que chegaria a 45%. A figura 1.4.a mostra estudo para o estado de São Paulo, com cálculo a 100 m de altura. Figura 1.4 Potencial eólico brasileiro por regiões, segundo Atlas de 2001 (a 50 m de altura) 9 8 http://www.jornaldaenergia.com.br/ler_noticia.php?id_noticia=9010&id_tipo=3&id_secao=9 9 http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/atlas_eolico/Atlas%20do%20Potencial%20Eolico%20Brasileiro.pdf http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-5 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Figura 1.4.a Mapa do potencial eólico do estado de São Paulo (a 100 m de altura) 10 De fato, inúmeros avanços tecnológicos têm permitido ampliar a captação de energia. Por exemplo, a adequação das pás das turbinas a peculiaridades dos ventos no Brasil, que são diferentes em aspectos como distribuição de intensidade e variação de direção, dos ventos predominantes na Europa. A figura 1.5 ilustra tais diferenças. Figura 1.5 Comparação entre características dos ventos no Brasil e na Europa.11 Potência eólica Para o aproveitamento da energia contida no vento é preciso um fluxo permanente e razoavelmente forte de vento. As turbinas modernas são projetadas para atingirem a potência máxima para velocidades do vento da ordem de 10 a 15 m/s. A energia disponível para uma turbina eólica é a energia cinética associada a uma coluna de ar que se desloca a uma velocidade 1.2.2 10 http://www.energia.sp.gov.br/a2sitebox/arquivos/documentos/385.pdf Everaldo Alencar Feitosa, “Energia Eólica no Brasil: Situação Atual e Perspectivas”, disponível em www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?down=1033 11 http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-6 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio uniforme e constante v (m/s). Em uma unidade de tempo, tal coluna de ar, ao atravessar a secção plana transversal A (m2) do rotor da turbina, desloca uma massa ρAv (kg/s), em que ρ é a massa específica do ar (ρ = 1,225 kg/m3), em condições de pressão e temperatura normais. Esta potência não pode ser integralmente convertida em potência mecânica no eixo da turbina, pois o ar, depois de atravessar o plano das pás, sai com velocidade não nula. Há um máximo teórico para o rendimento da conversão eolo-mecânica cujo valor é 59,3%, conhecido por Limite de Betz12. O rendimento efetivo da conversão numa turbina eólica depende da velocidade do vento e é dado por: P (1.1) C p ( v ) = mec Pdisp A potência a ser convertida em eletricidade (em Watts) é: 1 P = ρAv 3C pη (1.2) 2 onde η é o rendimento do processo de conversão mecânico-elétrico. Estudos recentes 13 indicam, para medições na Europa, um aproveitamento efetivo (produção de energia elétrica) de 21% da capacidade (valor nominal) dos aerogeradores, ao invés dos 35% utilizados, normalmente, nos estudos de implantação. A distribuição de longo prazo de velocidades de vento depende de fenômenos meteorológicos, cuja duração é da ordem de décadas. Fatores de capacidade com base na produção anual, portanto, podem não refletir o potencial a longo prazo de uma região. Figura 1.6 Medições de vento na Dinamarca. http://docs.wind-watch.org/Boccard-Capacity-Factor-Of-Wind.pdf Figura 1.7 Medições de vento na Dinamarca (média mensal) e comparação com índice NAO (North Atlantic Oscillation 14). http://docs.wind-watch.org/Boccard-Capacity-Factor-Of-Wind.pdf 12 Albert Betz foi um físico alemão que em 1919 concluiu que nenhuma turbina eólica pode converter mais do que 16/27 (59.3%) da energia cinética do vento em energia mecânica no rotor. Este limite tem a ver com a natureza das turbinas eólicas. Os aerogeradores extraem energia ao freiar o vento. Para um aerogerador ser 100% eficiente precisaria provocar a parada total na massa de ar mas, nesse caso, em vez de pás seria necessário um corpo sólido cobrindo 100% da área de passagem e o rotor não rodaria e não converteria a energia cinética em mecânica. No outro extremo, uma turbina com apenas uma pá, a maior parte do vento passaria "sem obstáculo, mantendo toda a energia cinética. Entre estes dois extremos existe um ponto máximo de rendimento, que é o limite de Betz. Fontes: http://www.aerogeradores.org/limitedebetz.php e http://en.wikipedia.org/wiki/Betz'_law 13 Nicolas Boccard, “Capacity Factor of Wind Power - Realized Values vs. Estimates” October 2008, acesso em 23/01/2012 http://docs.wind-watch.org/Boccard-Capacity-Factor-Of-Wind.pdf http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-7 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Todas as turbinas eólicas instaladas globalmente no final de 2010, que totalizam 200.000 GW, teriam capacidade de produzir, potencialmente, 430 TWh de eletricidade15, o que representa 2,5% do consumo global. No entanto, é de levar em consideração a efetiva produção de eletricidade, afetada por aspectos climáticos e outros. Observando os dados da Tabela 1.3, referentes ao ano de 2010, nota-se o aproveitamento relativamente baixo da capacidade instalada. Por exemplo, a Alemanha, com mais de 27 GW instalados, produziu 35,5 GWh, ou seja, seria possível produzir até 237 GWh. A produção efetiva foi 15% desse valor. Já para a Espanha, o valor é mais elevado, atingindo 23,8%. Tabela 1.3 Países com maior capacidade instalada (em dezembro de 2010) China Estados Unidos Alemanha Espanha India MW 44.733 40.180 27.215 20.676 13.066 Países com maior produção (2010)16 Espanha Alemanha Reino Unido França Portugal GWh 42.976 35.500 11.440 9.600 8.852 Aerogeradores 17 Turbinas eólicas de eixo horizontal (HAWT, na sigla em inglês) têm o eixo do rotor principal e gerador elétrico no topo de uma torre. Pequenas turbinas são apontadas na direção do vento por um cata-vento simples. Turbinas grandes geralmente usam um sensor de vento acoplado a um servomotor para acertar o direcionamento. A maioria tem uma caixa de engrenagens que ajusta a rotação lenta das pás a uma rotação mais rápida, adequada ao gerador elétrico. Turbinas usadas em parques eólicos para a produção comercial de energia elétrica são geralmente de três pás. Apesar dos rotores com duas pás serem um pouco mais eficientes, são mais instáveis e propensos a turbulências, trazendo risco à sua estrutura. Isso já não acontece nos rotores de três pás que são muito mais estáveis, barateando seu custo e possibilitando a construção de aerogeradores de mais de 100 metros de altura e com capacidade de geração de energia que pode ultrapassar 5 MW. Há previsão de instalação de turbinas de 10 MW em 201218, em torres de 162 m e diâmetro das pás de 147 m (raio superior ao comprimento de um avião Boing 747). Em um rotor com duas pás, quando uma passa pelo ponto mais elevado, estará submetida à máxima forma do vento, enquanto a pá inferior estará passando pela torre, ou seja, com a mínima força. Isso produz um esforço adicional sobre o eixo e sobre a torre, que são minimizados com o uso de três pás, quando tal situação não ocorre, dado o posicionamento a 120º das pás. Dado o diâmetro do rotor, tais dispositivos apresentam velocidades periféricas das pás elevadas, em torno de 300 km/h. As pás são geralmente leves de cor cinza para se misturar com as nuvens, com comprimento de 20 a 40 metros ou mais. As pás giram 22 a 10 rotações por minuto. Uma caixa engrenagens é comumente usada para elevar a velocidade de giro na conexão com o 1.2.3 14 Oscilação do Atlântico Norte (NAO) é um fenômeno climático, identificado em 1920, que se associa a flutuações na diferença de pressão atmosférica ao nível do mar entre da Islândia e os Açores, levando a uma variação na força e na direção dos ventos de oeste e se relaciona a tempestades sobre o Atlântico Norte. Sua variação ao longo do tempo, aparentemente, não tem periodicidade específica. Fonte: Wikipedia. 15 "World Wind Energy Report 2010" (PDF). Report. World Wind Energy Association. February 2011. Retrieved 8-August-2011. http://www.wwindea.org/home/images/stories/pdfs/worldwindenergyreport2010_s.pdf 16 "Spain becomes the first European wind energy producer after overcoming Germany for the first time". Eolic Energy News. 2010-12-31. Retrieved 2011-05-14. http://www.eolicenergynews.org/?p=4082 17 http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine Bin Wu, Y. Lang, N. Zargari e S. Kouro, “Power Conversion and Control of Wind Energy Systems”, John Wiley & Sons, Inc, 2001 18 http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-8 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio gerador. Alguns modelos operam a velocidade constante, mas mais energia pode ser coletada por turbinas de velocidade variável, empregando conversores eletrônicos de potência na interface com o sistema elétrico. Estas turbinas são equipadas com recursos de proteção para evitar danos em velocidades de vento muito altas, com controles de posicionamento das pás e sistemas de freio. Turbinas eólicas de eixo vertical (VAWT, na sigla em inglês) têm o eixo do rotor principal disposto verticalmente. A principal vantagem deste arranjo é que a turbina não precisa ser apontada na direção do vento, o que é útil em locais onde a direção do vento é muito variável. Com um eixo vertical, gerador e caixa de engrenagem podem ser colocados perto do chão, melhorando a acessibilidade para manutenção. Por apresentar baixa velocidade de rotação, têm torque elevado, o que implica em maiores relações na caixa de engrenagens. Produzem maior turbulência no fluxo de ar, o que leva a um comportamento pulsante torque. Há uma maior dificuldade de modelar o fluxo de vento com precisão e, portanto, problemas para analisar e projetar o sistema antes de fabricação de um protótipo. O aumento da potência das turbinas teve grande evolução nos últimos anos. Maiores potências exigem maior área coberta pelo giro das pás, concomitantemente à maior altura das torres e, por conseguinte, colhendo ventos de maior intensidade. A figura 1.9 ilustra tal evolução. Figura 1.8 Turbinas de eixo vertical e de eixo horizontal Tassa_5KW_2_ElectronSolarEnergy2.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/File:GreenMountainWindFarm_Fluvanna_2004.jpg Figura 1.9 Relação entre dimensões e potência de sistemas eólicos, indicando a evolução nos últimos anos.19 19 F. Blaabjerg, Z. Chen, R. Teodorescu, F. Iov, “Power Electronics in Wind Turbine Systems”, IPEMC 2006. Acesso em 24/01/2012 http://ecee.colorado.edu/~ecen2060/materials/references/wind/Blaabjerg04078034.pdf http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-9 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Os procedimentos para a conexão de um gerador isolado ou de um conjunto de aerogeradores (fazenda eólica – Wind farm) são previstos por normas específicas20, como a Resolução ANEEL 482/201221 ANSI/IEEE 1021-198822 e a IEEE Std. 1094-199123. Com base na experiência da operação de sistemas de energia eólica de grande potência, têm ocorrido modificações das normas para conexão e operação na rede de alta tensão. O objetivo destas novas disposições é melhorar e estabilizar o comportamento das turbinas eólicas, diminuir a quantidade de energia eólica perdida em distúrbios do sistema e permitir que as centrais eólicas operem com características semelhantes àquelas do sistema de potência convencional. Os requisitos mais comuns incluem capacidade ridethrough, limites de variação para tensão e freqüência, regulação de potência ativa e reativa e controle de freqüência, bem como do fator de potência e a capacidade de regulação de tensão. As normas correntes exigem que os grandes parques eólicos (especialmente aqueles ligados à alta tensão) devam suportar quedas de tensão abaixo de uma determinada percentagem do valor nominal, por um tempo especificado. Tais requisitos são conhecidos como FRT, denotando a imunidade mínima exigida da fonte de energia eólica para afundamentos de tensão. A figura 1.10 ilustra os limites utilizados nas normas norte-americana, canadense e irlandesa. A central eólica deve ser capaz de operar continuamente com 90% da tensão nominal de linha, medida no lado de alta tensão do transformador da subestação. Figura 1.10 Limite de suportabilidade de tensão por uma planta de geração eólica. A figura 1.11 mostra os principais componentes de um aerogerador. Sistemas de pequeno porte (até algumas dezenas de kVA) são, em geral, conectados à rede de distribuição em baixa tensão. Potências mais elevadas utilizam transformadores e são acopladas no sistema de distribuição (em geral), mas no lado de alta tensão. Parques eólicos podem ser conectados em níveis mais altos de tensão. Dado que a velocidade dos ventos varia, as turbinas eólicas são projetadas para trabalhar em uma faixa de velocidade abaixo da máxima velocidade do local onde será instalada. Se fosse projetada para trabalhar à máxima velocidade, seria necessária uma estrutura muito mais robusta e haveria menor produção com velocidades menores. Existem diferentes modos de se implementar um controle de potência nas turbinas. O mais simples destes é o posicionamento do eixo de modo a se alinhar com a direção do vento e obter a máxima potência (yaw control). Tal alinhamento pode ser feito de modo controlado por um servomotor, ou ocorrer pelo próprio projeto da turbina. Como método de controle dinâmico da 20 M. Tsili S. Papathanassio, A review of grid code technical requirements for wind farms, IET Renew. Power Gener., 2009, Vol. 3, Iss. 3, pp. 308–332, http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5237667 21 Resolução Normativa ANEEL 482 de 17/04/2012. http://www.aneel.gov.br/cedoc/bren2012482.pdf 22 ANSI/IEEE 1021-1988, IEEE Recommended Practice for Utility Interconnection of Small Wind Energy Conversion Systems 23 IEEE Std. 1094-1991, IEEE Recommended Practice for the Electrical Design and Operation of Windfarm Generating Stations http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-10 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio potência gerada, é normalmente usado apenas em turbinas de baixa potência, uma vez que em potências maiores, tal procedimento produziria grandes esforços no sistema. Figura 1.11 Componentes de aerogerador. Um sistema de controle ativo permite alterar o ângulo do passo (pitch) ao girar as pás em seu eixo longitudinal, de forma a reduzir o ângulo de ataque, diminuindo a velocidade das pás. A figura 1.12 ilustra os princípios aerodinâmicos associados ao controle de pitch. Figura 1.12 Princípios do controle de alinhamento (yaw) e de passo (pitch) 24 24 National Instruments Tutorial on Wind Turbine Control Methods, http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/8189 http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-11 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Outro método consiste em um controle passivo (“stall” ou estol, em português) que se baseia em um projeto aerodinâmico das pás. Quando a velocidade do vento supera a velocidade nominal, surgem regiões de turbulência entre o fluxo de ar e a superfície, reduzindo a força de sustentação e aumentando a força de arrasto. Devido a tal fenômeno, o sistema atua como um freio aerodinâmico, controlando a potência de produzida pela turbina. Para evitar que o estol ocorra em todas as posições da pá ao mesmo tempo, o que reduziria drasticamente a potência do rotor, as pás possuem uma torção longitudinal que leva a um suave desenvolvimento do estol. Sob todas as condições de velocidade do vento superior à nominal, o fluxo em torno dos perfis das pás é, pelo menos parcialmente, deslocado da superfície, produzindo sustentações menores e forças de arrasto mais elevadas 25. Uma variação do controle de estol e passo é o chamado “stall ativo” que se baseia na alteração do eixo das pás (como no pitch), porém de forma a provocar “stall”. Figura 1.13 Pás de aerogerador, cuja construção possibilita stall passivo. http://en.wikipedia.org/wiki/File:WindPropBlade.jpg A figura 1.14 ilustra o efeito dos diferentes controles em termos da característica de produção de potência. A manutenção da potência em seu valor nominal à medida que aumenta a velocidade do vento se deve à movimentação das pás o que resulta em uma redução no parâmetro Cp (eq. 1.2). Em velocidades muito elevadas o sistema é desligado para evitar danos. Potência Controle stall ativo Controle de passo Potência Nominal Controle stall passivo Velocidade de corte inferior Velocidade nominal do vento Velocidade de Velocidade corte superior do vento Figura 1.14 Ações de controle de velocidade da turbina para controle da geração. 25 H. N. Monteiro Duarte, “UTILIZAÇÃO DA ENERGIA EÓLICA EM SISTEMASHÍBRIDOS DE GERAÇÃO DE ENERGIA VISANDOPEQUENAS COMUNIDADES”, Monografia PUC-RS. 2004, disponível em http://pt.scribd.com/doc/70324452/21/Controle-por-estol http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-12 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio 1.2.4 Geradores elétricos Há diversos tipos de geradores elétricos aplicáveis em turbinas eólicas. A escolha depende de diversos fatores que incluem a potência, a regulação de velocidade, a aplicação (isolada ou conectada à rede), dentre outros. Serão apresentadas a seguir as configurações mais comuns, sem a pretensão de que se esgote o tema. 26 As máquinas de indução são os dispositivos mais utilizados como geradores em sistemas eólicos, tanto na versão de rotor em gaiola, quanto na de rotor bobinado (que permite a configuração DFIG – Double Fed Induction Generator). A partir do modelo monofásico simplificado, ilustrado na figura 1.15, pode-se deduzir a equação torque x velocidade: Td = 3 ⋅ R r ⋅ Vs2 (1.3) ⎡⎛ 2⎤ R ⎞2 s ⋅ ωs ⋅ ⎢⎜⎝ R s + r s ⎟⎠ + ( X s + X r ) ⎥ ⎣ ⎦ Is jX s I + Rs jX r m Rr Vs s jX m I =I s r Zi Figura 1.15 Modelo simplificado, por fase, de motor de indução. Para operação como gerador a máquina de indução deve trabalhar com escorregamento (s) negativo, ou seja, acima da velocidade síncrona (ωs) conforme ilustra a figura 1.16. A faixa de operação estável é estreita, em termos de velocidade, ocorrendo entre o escorregamento nulo e o ponto no qual se tem o máximo torque (Tmr). Tipicamente esta faixa é de 1 a 2% da velocidade síncrona. Td ωs 2ωs Generação 0 Tmr 0 Tração 1 0 -0.5 -sm 0.5 ωm Reversão ωs ωm ωs ωm −ω s ω m ωs 1 1.5 2 s sm Figura 1.16 Característica torque x velocidade de máquina de indução trifásica. 1.2.4.1 Turbinas de velocidade constante Dado que uma mínima variação de velocidade leva a uma variação total de potência, este arranjo pode ser utilizado em conexões diretas do gerador à rede elétrica, como ilustra a figura 26 F. Blaabjerg and Z. C, “Power Electronics for Modern Wind Turbines”, Morgan & Claypool Publishers, 2006 http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-13 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio 1.17. É necessário prever um suprimento de reativos para o GI, evitando que tal energia tenha que prover da rede. A vantagem deste arranjo é sua simplicidade e baixo custo. No entanto, não há qualquer possibilidade de regulação do fluxo de potência ativa, o qual depende exclusivamente da energia retirada do vento, o que leva a flutuações de tensão no ponto de acoplamento. Além disso, variações no vento produzem torques pulsantes em todo sistema mecânico. Tais arranjos são comuns em sistemas de menor potência. Nesse caso estão sistemas que operam com velocidade constante e que, portanto, fazem uso de dispositivos aerodinâmicos de regulação de potência, como os apresentados anteriormente (controles de pitch ou de stall). O sistema deve prever um soft-starter para a minimizar as correntes de inrush e evitar afundamentos de tensão na rede. Caixa de engrenagens Soft-starter Compensação de reativos Gerador de Indução Tranformador Rede Figura 1.17 Conexão direta de GI à rede elétrica – operação com velocidade constante. 1.2.4.2 Turbinas de velocidade variável e conversores eletrônicos de potência reduzida Nas máquinas de rotor bobinado tem-se acesso ao enrolamento do rotor, sendo possível alterar o valor da resistência rotórica, Rr, o que leva a uma alteração da curva de torque de modo a se ter uma maior variação de velocidade dentro da faixa de excursão da potência, conforme mostra a figura 1.18. Com variação da resistência do rotor é possível ampliar a faixa de variação de velocidade para de 2 a 5%. O conversor que emula a resistência variável opera com baixa tensão e alta corrente e processa uma pequena parcela da potência gerada. Sua ação permite regular a potência ativa injetada na rede em situações de elevada velocidade do vento. 0 Rr 0.5 5Rr 10Rr Td/Tmr 1 -0.8 -0.6 -0.4 0 s -0.2 Figura 1.18 Característica torque - velocidade para diferentes valores de resistência de rotor. Gerador de Indução Caixa de engrenagens SS Compensação de reativos Tranformador Rede Controle eletrônica da resistência do rotor Figura 1.19 Conexão de GI com rotor bobinado – operação com velocidade variável. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-14 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio A figura 1.20 mostra um outro arranjo, no qual o gerador de indução com rotor bobinado tem aplicada no enrolamento do rotor uma tensão CA controlada. Quando o gerador opera acima da velocidade síncrona, potência é enviada à rede tanto pelo enrolamento do estator (diretamente) quanto pelo de rotor, através dos conversores CA/CC e CC/CA. Abaixo da velocidade síncrona, injeta-se potência no motor através do enrolamento do rotor, de modo que se tem controle sobre o campo girante da máquina (que é uma composição da velocidade mecânica do eixo com o campo girante da corrente do rotor). Uma faixa de variação de +30% da velocidade é possível com um conversor que processa aproximadamente 30% da potência nominal do gerador. Além disso, é possível controlar tanto o fluxo de potência ativa quando o de potência reativa, melhorando o comportamento na interconexão com a rede CA. Este arranjo prescinde de procedimentos de partida suave e de fornecimento de reativos, pois ambas funções podem ser realizadas pelos conversores utilizados. Esta configuração é, naturalmente, de maior custo que as anteriores, no entanto, torna-se possível uma maior produção de energia elétrica e há menores esforços sobre a caixa de engrenagens. Gerador de Indução Tranformador Rede Caixa de engrenagens CA CC CC Pref CA Qref Figura 1.20 Conexão de DFIG 1.2.4.3 Sistemas com processamento total da potência gerada Neste caso, é possível capturar potência do gerador a qualquer velocidade do vento, dado que há um total desacoplamento entre a tensão gerada e a rede. Dado que a tensão de saída dos geradores é alternada, o processamento de toda potência exige um retificador (conversor CA/CC, assunto do capítulo 3), levando à existência de um barramento CC intermediário, a partir do qual se faz uma inversão (conversão CC-CA, assunto do capítulo 4). Há inúmeros aspectos relacionados aos procedimentos para conexão com a rede, os quais serão abordados oportunamente. A figura 1.21 mostra uma estrutura que pode ser usada tanto com geradores de indução com rotor em gaiola quanto com geradores de ímãs permanentes. O que se altera é a topologia e/ou a estratégia de controle do retificador, de modo a proporcionar o melhor modo de operação para o gerador, reduzindo perdas e/ou maximizando a potência. A figura 1.22 ilustra a situação com gerador síncrono, adicionando-se ao sistema um retificador de baixa potência que faz o ajuste da excitação de campo do gerador. Gerador de Indução ou Gerador de Ímãs Permanentes (PM) Caixa de engrenagens CA Rede CC CC Pref Tranformador CA Qref Figura 1.21 Sistema com atuação assíncrona entre o gerador e a rede. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-15 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio CC CA CA Caixa de engrenagens CC CC CA Tranformador Rede Gerador Síncrono Pref Qref Figura 1.22 Sistema com gerador síncrono, desacoplado da rede. De acordo com a regulamentação da CPFL, toda central de microgeração27 distribuída conectada na rede de baixa tensão (BT), independentemente da quantidade de fases e da potência que pode ser gerada, deverá sê-lo necessariamente por intermédio de inversores eletrônicos, qualquer que seja a fonte primária da energia. O uso de transformador isolador é obrigatório para conexão em média tensão28. Aspectos Ambientais 29 Claramente o uso da energia eólica para produção de eletricidade não acarreta emissão de gases na atmosfera, no entanto existem outros aspectos ambientais que não devem ser negligenciados. É importante que os projetos sejam adequadamente integrados na paisagem e desenvolvidos em colaboração com as comunidades locais, para manter o apoio da opinião pública a esta forma de energia. O ruído produzido pelas turbinas é também apontado como argumento contra o uso da energia eólica. O ruído mecânico está associado à caixa de velocidades, ao gerador e aos motores auxiliares. O ruído aerodinâmico está relacionado com o movimento das pás, que é inevitável, principalmente a baixas velocidades do vento, uma vez que em altas velocidades o ruído de fundo se sobrepõe ao das turbinas. Tanto a interferência eletromagnética com sinais de comunicações, como os efeitos sobre a vida animal, principalmente as aves migratórias, não são superiores aos de outras estruturas de grande porte semelhantes, podendo ser evitados através da escolha criteriosa do local de instalação. O uso da terra não fica comprometido, uma vez que apenas uma pequena percentagem do espaço onde é instalado o parque eólico fica efetivamente ocupada. 1.2.5 1.3 Energia Solar Fotovoltaica A conversão direta da energia solar em energia elétrica ocorre pelos efeitos da incidência de radiação sobre determinados materiais, particularmente os semicondutores. No efeito fotovoltaico (FV) os fótons contidos na luz solar são convertidos em energia elétrica, por meio do uso de células solares.”30 O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez por Alexandre-Edmond Becquerel em 1839.31 No efeito fotovoltaico os elétrons, gerados a partir da incidência da radiação luminosa, são transferidos entre diferentes bandas de energia (i.e., das bandas de valência para bandas de 27 Microgeração distribuída é uma central geradora de energia elétrica com potência instalada menor ou igual a 100 kW e que utiliza fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL (Resolução Normativa n° 235/2006, de 14/11/2006), conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras. 28 CPFL Energia, Conexão de Micro e Minigeração Distribuída sob Sistema de Compensação de Energia Elétrica, 2012. 29 Rui M. G. Castro, “Introdução à Energia Eólica”, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal, 2003. http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/03-Energia_Solar(3).pdf 31 http://pt.wikipedia.org/wiki/Alexandre-Edmond_Becquerel 30 http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-16 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio condução) dentro do próprio material, resultando no surgimento de uma diferença de potencial entre dois eletrodos.32 Na maioria das aplicações fotovoltaicas a radiação é a luz solar e, por esta razão, os dispositivos de conversão são conhecidos como células solares. No caso de uma célula solar de junção PN, a iluminação do material cria uma diferença de potencial à medida que os elétrons excitados e as lacunas remanescentes são conduzidos em direções diferentes pelo campo elétrico da região de depleção, como ilustra a figura 1.23. Radiação solar eletrodos Semicondutor tipo N Diferença de potencial + Semicondutor tipo P Figura 1.23 Produção de ddp por ação de radiação solar em material semicondutor dopado e imagem de célula FV comercial. Um grande impulso para o aproveitamento fotovoltaico veio dos programas espaciais e de telecomunicações via satélite. A eletricidade necessária ao funcionamento dos circuitos eletrônicos provém de células fotovoltaicas. No espaço, a potência disponível na distância entre a Terra e o Sol, é de 1353 W/m2. Já na superfície da do http://en.wikipedia.org/wiki/File:ROSSA.jpg planeta, por conta da atmosfera, considera-se uma potência de 2 1000 W/m . Mesmo sendo variável com a localização e com as condições atmosféricas, esse valor é tomado pelos fabricantes de células para a caracterização dos dispositivos. Além das condições atmosféricas, especialmente a nebulosidade, a disponibilidade de radiação solar incidente sobre a superfície terrestre depende da latitude e, obviamente, da data e do horário. Isso se deve aos movimentos de translação e de rotação da terra. Para maximizar o aproveitamento da radiação solar deve-se ajustar a posição do painel fotovoltaico de acordo com a latitude local e o período do ano em que se requer mais energia. No Hemisfério Sul, nas latitudes do Brasil, por exemplo, um sistema fixo de captação deve ser orientado para o Norte, com ângulo de inclinação próximo ao da latitude local. A figura 1.24 ilustra a energia média que atinge a superfície do país a cada dia. Os valores estão na faixa de 15 a 20 MJ/m2.dia, o que significa de 4,1 a 5,5 kWh/m2.dia. Ou seja, se TODA energia incidente pudesse ser captada e convertida em eletricidade, com 1 m2 de coletor seria possível obter a energia consumida em uma residência com consumo mensal de 150 kWh. A quantidade média anual de horas em que cada região do Brasil tem incidência direta de luz solar está mostrada na figura 1.25. Apesar de valores tão expressivos, o fato é que o aproveitamento efetivo da energia recebida do sol é muito menor e a principal razão é o relativamente baixo rendimento do processo de 32 http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_fotovoltaico http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-17 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio conversão fotovoltaico, conforme mostra a tabela 1.4, para diferentes tecnologias de produção de células fotovoltaicas. Dado que a incidência ocorre em um intervalo restrito do dia, em sistemas isolados torna-se necessário algum dispositivo que acumule a energia e a disponibilize de acordo com a demanda. Os padrões de consumo residencial, infelizmente, não combinam com o padrão de geração fotovoltaica, uma vez que o pico e a maior demanda ocorrem no período noturno, como mostra a figura 1.26. Figura 1.24 Radiação solar diária (média anual em MJ/m2dia) 33 Figura 1.25 Insolação Diária (Média anual em horas). 33 http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Atlas_Solarimetrico_do_Brasil_2000.pdf http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-18 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Tabela 1.4 Figura 1.26 Perfil típico de demanda ao longo do dia de consumidores residenciais (medição em transformador de distribuição). Considerando um rendimento de 15% da célula e adicionando os rendimentos dos processos de condicionamento da energia gerada (pois é produzida energia em CC e o consumo é, tipicamente, em CA), tem-se um aproveitamento efetivo de cerca de 12% da energia incidente. Isso significa que a área calculada anteriormente para suprir uma demanda diária de 5 kWh deve ser algo em torno de 8 m2. A figura 1.27 ilustra, simplificadamente, o conjunto de dispositivos necessários ao aproveitamento dessa energia. Figura 1.27 Sistema de aproveitamento de energia FV. De fato, os aproveitamentos fotovoltaicos são, predominantemente, de baixa potência, na faixa de kW, em termos de potência instalada e de uso residencial ou isolado. Instalações de maior porte, na faixa de centenas de kW até alguns MW são conectados em nível mais elevado de tensão, por meio de transformadores. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-19 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio A presença de uma isolação elétrica (transformador) no sistema, quando se faz a conexão à rede CA, não é obrigatória (embora possa ser assim determinada por normas nacionais específicas). A inclusão da isolação no sistema pode ser feita em diferentes pontos. É possível usar um transformador de baixa freqüência na saída do inversor. Nesse caso seria um transformador com núcleo de Fe-Si, operando em 50/60 Hz, ou seja, em elemento de massa e volume consideráveis. É possível fazer a isolação em algum estágio intermediário, como no acoplamento entre o conversor CC-CC. Nesse caso, o transformador operará em alta freqüência, o que reduz sua massa e volume. O núcleo será, possivelmente, de ferrite, dada a freqüência de operação. 1.3.1 Modelo elétrico de uma célula fotovoltaica Uma célula fotovoltaica pode ser bem representada por um circuito elétrico equivalente como o mostrado na figura 1.28, o qual leva a uma curva característica I x V ilustrada na figura 1.29. Nessa figura se mostra a evolução da potência sobre a carga. Estas curvas são obtidas alterando a resistência de carga (Rc). Ic IPV VPV Rc Figura 1.28 Circuito equivalente de célula FV conectada a uma carga resistiva. Os valores indicados como IMP e VMP correspondem ao ponto de máxima potência sobre a carga (neste caso, 3,2 A e 0,52 V). VOC é a tensão de circuito aberto e ISC é a corrente de curtocircuito (3,5 A). A corrente IPV, assim como a tensão VD, são supostas constantes. IPV depende fortemente da potência incidente sobre a célula, como mostra a figura 1.30. O efeito térmico é também relevante e afeta a tensão de circuito aberto, a qual se reduz à medida que a temperatura se eleva. Figura 1.29 Característica I x V de célula FV. 34 34 http://da.wikipedia.org/wiki/Maximum_power_point_tracker http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-20 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio 1000 W/m2 sem iluminação Figura 1.30 Efeito da iluminação e da temperatura sobre a curva I x V de célula FV.35 http://en.wikipedia.org/wiki/File:I-V_Curve_T.png 1.3.2 Associações de painéis fotovoltaicos Quando expostos à luz direta, uma célula de silício de seis centímetros de diâmetro produz algo em torno de 0,5 A e 0,5 V, ou seja, cerca de 0,25 W. Como a tensão fornecida por uma célula é reduzida (em torno de 0,5 V), as aplicações exigem a associação de inúmeras células de modo a se obter níveis de tensão e potência adequados. Tipicamente um painel solar é feito com a associação de algumas dezenas de células, produzindo uma tensão terminal em torno de 30 V e uma potência de 50 a 250 W, ou seja, com correntes até 8 A. A Figura 1.31 ilustra um painel. A associação série e/ou paralela de painéis cria um arranjo (array). Especialmente para grandes arranjos, nos quais as condições de insolação podem ser muito distintas, pois pode haver sombreamento em uma região e iluminação plena em outra, são necessários cuidados especiais para a conexão, de modo a aproveitar ao máximo a energia incidente. Ao se fazer uma conexão série, a corrente que pode circular pelo arranjo é limitada pela célula que tiver a menor insolação, ou seja, a que produzir a menor corrente. Isso implica que não é possível obter a máxima potência das demais, prejudicando o rendimento do conjunto. Figura 1.31 Painel FV, composto pela associação de dezenas de células. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f3/SolarpanelBp.JPG/300px-SolarpanelBp.JPG Para minimizar tal efeito, nas montagens dos arranjos são adicionados diodos de bypass, em paralelo com um certo conjunto de células. A melhor solução seria ter um diodo por célula, mas isso encarece demasiadamente o produto. Além disso, o sombreamento parcial é um efeito que ocorrem regiões relativamente distantes, de modo que é aceitável ter diodos para agrupamentos de células, como mostra a figura 1.32. O efeito sobre as curvas I-V e P-V são mostrados na figura 1.33. Nota-se que a presença dos diodos de bypass permite que se obtenha a 35 http://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_solar_cells http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-21 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio máxima potência de parte dos painéis do arranjo, e a limitação da corrente por baixa insolação ocorre apenas parcialmente. Figura 1.32 Arranjo de painéis FV com diodos de bypass Figura 1.33 Efeito sobre a característica I-V e sobre a curva P-V em caso de sombreamento. http://sargosis.com/wp-content/uploads/2011/11/inverter_mpp_curves.jpg 1.3.3 Estratégias de MPPT (Maximum Power Point Tracking) A extração de potência de um painel fotovoltaico normalmente é feita por meio de um conversor CC-CC, que adequa a tensão de saída do PV (normalmente baixa, na faixa de dezenas de Volts) à necessidade da aplicação. Este conversor, além do ajuste da tensão, normalmente é dotado de algum sistema que busca, continuamente, o ponto de máxima potência. Tal recurso é de grande importância dada a alta variabilidade da energia incidente e, dessa forma, sobre a característica I-V e P-V do sistema. Há diversos métodos possíveis de serem aplicados e seu estudo extrapola os objetivos deste curso, razão pela qual apenas se indicam algumas referências. 36 37 36 de Brito, M.A.G.; Luigi, G.; Sampaio, L.P.; Canesin, C.A.; Avaliação das principais técnicas para obtenção de MPPT de painéis fotovoltaicos, 9th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications (INDUSCON), São Paulo, 2010 37 CAVALVANTI, M. C. et al. Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Techniques for Photovoltaic Systems. Eletrônica de Potência, v. 12, n. 2, p. 163-171, 2007. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-22 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio 1.4 Conexão à rede CA Embora sejam bastante comuns os sistemas isolados, seja para alimentação de equipamentos remotos, seja em localidades sem acesso à rede de energia elétrica, o foco deste curso são as aplicações conectadas à rede. Assim, serão vistas as exigências para que se realize a inserção destas fontes na rede de distribuição, especialmente na baixa tensão de distribuição, embora empreendimentos de maior potência façam a conexão na alta tensão. Em 2011 a ANEEL38 lançou um programa para incentivar a implantação de sistemas de grande porte (com potência de pico entre 500 kW e 3 MW) como forma de criar no Brasil experiências piloto que venham a permitir a elaboração de normas e procedimentos adequados. Um exemplo é a Usina Solar Tanquinho, em Campinas-SP, da Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL), com 1,1 MW de pico e expectativa de 1,6 GWh de produção de energia anual. A Usina Tanquinho utiliza diferentes tecnologias de células: silício policristalino, silício amorfo monocristalino, “filmes finos”, como o telureto de cádmio e o Cobre-Índio-Gálio-Selênio (CIGS). São testados arranjos de painéis fixos e móveis (que acompanham o sol), diferentes estruturas de inversores (micro inversores individuais por painel e inversores de maior porte para agrupamentos de painéis), bem como a integração da geração solar com geração eólica, através da inclusão de um aerogerador de pequeno porte. O projeto permitirá analisar o impacto da conexão desse tipo de geração para o consumidor final em termos de qualidade, segurança, confiabilidade e viabilidade econômica39. Painéis fotovoltaicos na Usina Tanquinho http://brasileconomico.ig.com.br/public/uploads/articles/foto_pagina/usina_energia_solar_empresa_cemig_be_01.jpg 1.4.1 Tarifação A figura 1.34 ilustra um sistema com cargas CA, e conexão à rede. Encontra-se em implantação no Brasil os procedimentos40,41 para incentivar e regulamentar a implantação de tais sistemas. Uma primeira questão que se coloca é o da tarifação. Um dos métodos é o chamado “net metering”, que está sendo considerada pela ANEEL, o qual “consiste na medição do fluxo de energia em uma unidade consumidora dotada de pequena geração, por meio de medidores bidirecionais. Assim, um único medidor é capaz de registrar a energia consumida e a energia gerada em um ponto de conexão. Se a geração for maior que a carga, o consumidor receberá um crédito em energia (isto é, em kWh e não em unidades 38 ANEEL, CHAMADA NO 013/2011, PROJETO ESTRATÉGICO: “ARRANJOS TÉCNICOS E COMERCIAIS PARA INSERÇÃO DA GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA NA MATRIZ ENERGÉTICA BRASILEIRA”, Agosto de 2011. http://www.aneel.gov.br/arquivos/PDF/PeD_2011-ChamadaPE13-2011.pdf 39 http://www.cpfl.com.br/SaladeImprensa/Releases/tabid/154/EntryId/639/CPFL-Energia-tera-geracao-solar-fotovoltaica-ate-2013.aspx 40 CPFL Energia, Conexão de Micro e Minigeração Distribuída sob Sistema de Compensação de Energia Elétrica, 2012. http://www.cpfl.com.br/LinkClick.aspx?fileticket=KOzl6croB2k%3D&tabid=1417&mid=2064 41 http://www.enersul.com.br/files/2012/12/Procedimento-de-Acesso-para-Microgera%C3%A7%C3%A3o-e-Minigera%C3%A7%C3%A3oDistribuida-ENERSUL.pdf http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-23 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio monetárias) na próxima fatura. Caso contrário, o consumidor pagará apenas a diferença entre a energia consumida e a gerada, mantido o custo de disponibilidade.”42 Figura 1.34 Sistema FV conectado à rede CA http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/95/PV-system_urban_home1.png/400px-PV-system_urban_home1.png Segundo este estudo apresentado pela ANEEL, “pode-se considerar o Sistema de Compensação de Energia como uma ação de eficiência energética, pois haverá redução de consumo e do carregamento dos alimentadores em regiões com densidade alta de carga, com redução de perdas e, em alguns casos, postergação de investimentos na expansão do sistema de distribuição.” Propõe ainda que o medidor seja pago pelo consumidor e que o prazo de validade dos créditos seja de 12 meses. Se a geração for maior do que o consumo, o consumidor paga apenas o custo de disponibilidade e os créditos poderão ser utilizados nos meses subsequentes. Para consumidor com tarifa horossazonal, a energia gerada deverá abater o consumo no mesmo posto horário. Se houver excedente de geração, o montante será utilizado para compensar o consumo no outro posto tarifário segundo a relação entre as tarifas de energia (ponta e fora de ponta). Os montantes de energia gerada, que não tenham sido compensados na própria unidade consumidora, podem ser utilizados para compensar o consumo de outras unidades previamente cadastradas para esse fim, atendidas pela mesma distribuidora, cujo titular seja o mesmo da unidade com sistema de compensação de energia. A regulamentação exige ainda alterações e complementações em outros documentos, como o PRODIST 43 (Procedimentos de Distribuição). Há outras possibilidades de tarifação como, por exemplo, o uso de medidores distintos para a importação e para a exportação de energia, o que permite a aplicação de tarifas diferenciadas, incentivando a geração por meio de um maior valor pago. 1.4.2 Requisitos para conexão à rede CA Também nesse caso a regulamentação específica se encontra em discussão e implantação no país (2013). Têm sido tomadas como referência normas de outros países, especialmente da IEC (International Electrotechnical Comission) e as recomendações do IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers). Existem dezenas de normas que tratam do assunto 44 45 46, 42 www.aneel.gov.br/aplicacoes/audiencia/arquivo/2011/042/documento/aviso_ap042_2011_dou_11.8.11_secao_3_pg_134.pdf 43 44 http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=82 IEEE1547, IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems, 2003 45 IEC 61727, Characteristics of the utility interface 46 IEEE 929-2000, Recommended practice for utility interface of photovoltaic (PV) systems. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-24 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio envolvendo aspectos de equipamentos, de interligação, aterramento e isolação, qualidade da energia, de proteção e segurança. Alguns aspectos são comentados a seguir. Arranjo fotovoltaico Conversor CC/CC Detector de fuga de corrente ao terra Painel de conexão Inversor Fusível CC Fusível CA Seccionadora com a rede Rede CA Figura 1.35 Componentes típicos de um sistema FV conectado à rede47 e procedimentos CPFL. A regulamentação da CPFL especifica que toda central de minigeração distribuída com potência igual ou superior a 100 kW deverá ser conectada por intermédio de um transformador de acoplamento, a cargo do acessante. Toda central de microgeração distribuída conectada na rede de baixa tensão (BT), independentemente da quantidade de fases e da potência que pode ser gerada, deverá sê-lo necessariamente por intermédio de inversores eletrônicos, qualquer que seja a fonte primária da energia. Os procedimentos definidos pela Light48 Enersul49, por sua vez, permitem de geradores CA (síncrono ou de indução) sejam conectados diretamente à rede de BT, apenas com os dispositivos de segurança apropriados. 47 California Energy Commission, A GUIDE TO PHOTOVOLTAIC (PV) SYSTEM DESIGN AND INSTALLATION, 2001 48 Procedimentos para a Conexão de Acessantes ao Sistema de Distribuição da Light SESA – Conexão em Baixa Tensão, 2012, http://www.light.com.br/recon/energia_alternativa_12_12_12.pdf 49 Procedimento de Acesso para Microgeração e Minigeração Distribuída, Enersul, 2012 http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-25 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio 1.4.2.1 Tensão de Operação De acordo com as normas vigentes, o inversor que se conecta à rede CA, em baixa tensão, é responsável apenas pela injeção de potência e não deve ter qualquer ação direta (intencional) sobre o valor da tensão no PAC. São previstos valores máximo e mínimo da tensão e, dentro de tal intervalo, o inversor deve operar normalmente. Em situações que a tensão saia dos limites, o inversor deve se desconectar. O tempo de desconexão depende do desvio da tensão, conforme as tabelas 1.5 e 1.6. Este critério (uso exclusivo para injeção de potência ativa) impede o uso multifuncional do inversor o que, do ponto de vista de estruturas de redes inteligentes (smart grid) é uma restrição que subutiliza o potencial do conversor para realizar outras funções importantes, como a compensação de harmônicas e de energia reativa. Tabela 1.5 IEC 61727 Faixa de tensão (% do valor nominal) V<50 50<V<85 85<V<110 110<V<135 V>135 Tempo para desconexão [s] 0,1 (5 ciclos de 50 Hz) 2,0 Operação normal 2,0 0,05 (2 ciclos e ½ de 50Hz) Tabela 1.6 IEEE 1547 Faixa de tensão (% do valor nominal) V<50 50<V<88 88<V<110 110<V<120 V>120 Tempo para desconexão [s] 0,16 (10 ciclos de 60 Hz) 2,0 Operação normal 1,0 0,16 1.4.2.2 Frequência A tensão e a corrente produzidas pelo inversor têm que estar sincronizadas com a rede. Enquanto a freqüência da rede estiver dentro de certos limites, isso é entendido como uma situação normal. Ao sair da faixa permitida, o entendimento é que houve alguma perturbação e que, portanto, o inversor deve desconectar o sistema de geração local. A IEC recomenda que o desvio máximo seja de +1 Hz. Já o IEEE apresenta uma faixa entre 59,3 e 60,5 Hz. De acordo com a regulamentação da CPFL, conforme ilustra a figura abaixo, quando a frequência da rede ficar abaixo de 57,5 Hz ou acima de 62 Hz, a central deverá cessar a injeção de energia ativa à rede em no máximo 0,2 de segundo. Somente quando a frequência retornar a 59,9 Hz, após ter caído, ou retornar a 60,1 Hz, após ter subido, é que a central poderá voltar a injetar energia ativa, em ambos os casos respeitando um tempo mínimo de 180 segundos após a volta das condições normais de tensão e frequência na rede. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-26 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Injeção de potência pelo inversor em função da frequência da rede (procedimento CPFL). No caso de haver necessidade de corte de geração ou de carga, para permitir a recuperação do equilíbrio carga-geração durante distúrbios na rede da CPFL, a frequência: • Não pode exceder 66 Hz ou ser inferior a 56,5 Hz em condições extremas; • Pode permanecer acima de 62 Hz por no máximo 30 segundos e acima de 63,5 Hz por no máximo 10 segundos; • Pode permanecer abaixo de 58,5 Hz por no máximo 10 segundos e abaixo de 57,5 Hz por no máximo 5 segundos. 1.4.2.3 Distorção da corrente e corrente CC No caso da distorção, ambas as normas (IEC e IEEE) coincidem e apontam uma Distorção Harmônica Total (DHT) de 5% e limites individuais segundo a Tabela 1.7. Algumas regulamentações nacionais de concessionárias, como a COSERN50, também apontam tais limites. Tabela 1.7 Limites de componentes harmônicas da corrente Harmônica Limite 3ª à 9ª 4% 11ª à 15ª 2% 17ª à 21ª 1,5% 23ª à 33ª 0,6% Acima da 33ª 0,3% Componentes pares ¼ dos valores acima Em relação a nível CC na corrente, a IEEE admite até 0,5% da corrente nominal do conversor, enquanto a IEC aceita até 1%. A presença de níveis CC se deve à operação do inversor que pode apresentar um pequeno desequilíbrio nas tensões produzidas nos semiciclos positivo e negativo. Isso gera um nível CC de tensão o qual, por depender apenas da resistência do circuito, pode levar a um elevado valor CC na corrente, que é algo muito prejudicial a elementos eletromagnéticos na rede, como transformadores, devido ao desequilíbrio que provoca na magnetização dos mesmos. A regulamentação CPFL indica que, a menos que haja separação galvânica entre a central geradora e a rede por meio de transformador de isolamento, o micro ou minigerador distribuído 50 Conexão de Microgeradores ao Sistema de Distribuição de Baixa Tensão da Cosern, 2012, http://www.cosern.com.br/ARQUIVOS_EXTERNOS/Conexão de Microgeradores ao Sistema de Distribuição de Baixa Tensão da Cosern;;20121214.pdf http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-27 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio deverá cessar de fornecer energia à rede em até 1 segundo após detectar que injeção de componente de corrente contínua que exceda 0,5 % da corrente nominal da central geradora. 1.4.2.4 Aterramento e corrente de fuga Deve ser possível conectar ao terra o terminal positivo ou negativo do painel ou do arranjo fotovoltaico. A fuga de corrente pelo terra deve ser monitorada, o que é especialmente importante nos sistemas que não utilizem transformador de isolação. Caso a fuga de corrente exceda um dado limite, o sistema deve se desconectar. 1.4.2.5 Fator de Potência A IEC 61727 estabelece que operando a partir de 10% do valor nominal da potência, o fator de potência resultante da injeção de corrente deve ser indutivo e não pode ser inferior a 0,85. Para potência acima de 50% do valor nominal, o FP não pode ser inferior a 0,9. O IEEE não traz restrições nesse aspecto. A regra CPFL indica que o fator de potência no ponto de conexão da unidade consumidora com central de micro ou minigeração distribuída deverá estar compreendido entre 0,92 e 1 indutivo ou 1 e 0,92 capacitivo. A COSERN indica que o sistema de geração distribuída deve ser capaz de operar dentro das seguintes faixas de fator de potência quando a potência ativa injetada na rede for superior a 20% da potência nominal do gerador: • Sistemas de geração distribuída com potência nominal menor ou igual a 3 kW: fator de potência igual a 1 com tolerância de trabalhar na faixa de 0,98 indutivo até 0,98 capacitivo; • Sistemas de geração distribuída com potência nominal maior que 3 kW e menor ou igual a 6 kW: fator de potência ajustável de 0,95 indutivo até 0,95 capacitivo; • Sistemas de geração distribuída com potência nominal maior que 6 kW: fator de potência ajustável de 0,90 indutivo até 0,90 capacitivo. Após uma mudança na potência ativa, o sistema de geração distribuída deve ser capaz de ajustar a potência reativa de saída automaticamente para corresponder ao fator de potência predefinido. Qualquer ponto operacional resultante destas definições/curvas deve ser atingido em, no máximo, 10 segundos. 1.4.2.6 Ilhamento e reconexão Quando ocorre alguma perturbação na rede que acarrete a violação de limites de tensão e/ou de freqüência, conforme indicados anteriormente, o inversor deve se desconectar da rede. Eventualmente pode manter a alimentação das cargas locais, dentro de sua disponibilidade de potência, passando a atuar no modo stand-alone. A desconexão é importante para impedir que o inversor tente “alimentar” a rede, para o que, provavelmente, não teria capacidade, mas, principalmente, por razões de segurança. A manutenção de operação do inversor manteria a rede alimentada, colocando em risco ações de manutenção, além de poder produzir transitórios de energização muito perigosos, devido à assincronia entre a fonte local e a externa. O sistema local deve monitorar a presença, ou não, da rede externa. Ao detectá-la, deve seguir um procedimento para a reconexão, fazendo um ajuste de frequência e de amplitude da tensão, previamente à efetivação da conexão. A IEEE 1547 indica que a conexão do inversor à rede pode ser feita desde que a tensão se encontre na faixa de operação normal (88 a 110% do valor nominal) e que a freqüência esteja entre 59,3 e 60,5 Hz. Não especifica em quanto tempo deve ser feita a conexão, uma vez atendidas essas restrições. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-28 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Já a IEC 61727 indica a faixa de tensão entre 85 e 110% e freqüência com desvio de + 1 Hz em relação ao valor nominal da rede. A conexão só pode se dar após 3 minutos do retorno da energia na rede no PAC. 1.4.3 Estruturas de conexão de inversores Existem diferentes maneiras de se fazer a conexão de um painel ou de um arranjo á rede elétrica. As figuras 1.36 e 1.37 ilustram essas alternativas. Pode-se fazer o arranjo de todos os painéis, de maneira a se obter a tensão CC desejada (painéis em série) e a corrente/potência (que determina a quantidade de arranjos que serão colocados em paralelo). Um único conversor processa toda a potência gerada (figura 1.36.a). Outra possibilidade é dividir os painéis e conectar cada grupo a um conversor CC-CC (figura 1.36.b), de modo que se torna possível extrair a máxima potência de cada arranjo, o que não é possível no caso anterior. Os conversores CC-CC compartilham um barramento CC de saída, ao qual se conecta um inversor único, que processa toda a potência. Caso haja falha no inversor, toda a produção de energia é interrompida. 51, 52 A figura 1.37 mostra uma alternativa que modulariza os inversores, os quais são de menor potência (em relação à figura 1.36.a). Nesse caso também é possível obter a máxima potência de cada sub-arranjo. A operação dos inversores deve prever tal operação em paralelo, com o devido controle da corrente de saída para evitar conflito entre os comandos dos conversores. A figura 1.37.b ilustra o conceito dos micro-inversores, no qual cada painel já possui um conversor CC-CA integrado, com capacidade para conexão direta na rede. O conceito leva-se a modularidade ao extremo e garante a operação de parte do arranjo, mesmo em caso de falha de um painel ou inversor. CC CC CC Rede CA Rede CA CC CC CA CA CC (a) (b) Figura 1.36 Arranjo com conversor único (a) e com múltiplos conversores CC-CC (b) 51 Fritz Schimp, Lars E. Noru, Grid connected Converters for Photovoltaic, State of the Art, Ideas for Improvement of Transformerless Inverters, NORPIE/2008, Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics, June 9-11, 2008 http://www.elkraft.ntnu.no/eno/Papers2008/Schimpf-norpie08.pdf 52 Soeren B. Kjaer, John K. Pedersen and Frede Blaabjerg, A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic Modules, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41, No. 5, Sep. 2005 http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-29 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio CC CC CC CA CA CA Rede CA CC CC CC CA CA CA Rede CA (a) (b) Figura 1.37 Conexão em paralelo de inversores (a) e configuração com micro-inversores (b) 1.5 Acumuladores de Energia Conforme visto, tem-se significativa intermitência na geração de energia por parte das fontes eólicas e fotovoltaicas. Além disso, deve-se levar em conta a diferença entre a geração e a demanda, como ilustra a figura 1.35. Figura 1.35 Comportamento típico de geração fotovoltaica e de consumo residencial. Quando se tem um sistema conectado à rede de distribuição, esta pode operar como um tipo de armazenador do excesso de energia gerada e que fornece a quantidade demandada pela carga quando não houver disponibilidade local. Na verdade, o que ocorre é que o sistema elétrico, ao deixar de fornecer energia à carga, não realizará produção de energia com fontes tradicionais (hidrelétrica e termelétrica), poupando os combustíveis ou retendo água nos reservatórios. Por outro lado, pode ser de interesse do produtor armazenar por conta própria o excesso da energia. Uma razão para isso seria a tarifação horo-sazonal, posto que a energia gerada seria remunerada por um valor menor do que a consumida no horário de pico, em prejuízo do produtor. Outra necessidade de se ter um estoque de energia local é para o atendimento de picos de potência. Nos sistemas convencionais, com geradores eletromecânicos, a massa girante das máquinas representa uma expressiva quantidade de energia cinética armazenada, a qual é capaz de suprir de maneira instantânea a variação rápida de demanda. Em sistemas em que a geração é processada por conversores eletrônicos, não existe essa disponibilidade, de modo que é preciso algum outro método para garantir o atendimento instantâneo da demanda. Outra razão da necessidade de armazenamento local de energia é para a inicialização de uma rede isolada, de modo a ser possível determinar o sincronismo ao qual os demais geradores irão se ajustar. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-30 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio Embora a energia elétrica seja um excelente vetor energético, sua grande limitação é a impossibilidade prática de seu armazenamento em quantidades razoáveis. Os acúmulos capacitivo e indutivo não são adequados à retenção de quantidades maiores de energia, mesmo que utilizando supercapacitores ou magnetos supercondutores, por razões de custo, principalmente. A opção mais comum é o armazenamento de energia química, seja em baterias, seja na forma de hidrogênio para posterior produção de eletricidade por meio de células a combustível. A figura 1.36 mostra comparativamente os desempenhos em termos de potência e de energia de diferentes dispositivos de acúmulo. Observa-se que capacitores e supercapacitores são capazes de fornecer elevada potência, mas têm uma capacidade muito limitada de acumular energia, o que é mais bem realizado pelas baterias e células a combustível. 3 Densidade de Energia (Wh/kg) 10 Células a combustível 2 10 Baterias 1 10 Supercapacitores 0 10 -1 Capacitores convencionais 10 -2 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 Densidade de Potência (W/kg) Figura 1.36 Comportamento de capacidade de acúmulo de energia e disponibilização de potência elétrica entre diferentes dispositivos. 53 1.5.1 Células a Combustível Células a combustível são conversores de energia química em elétrica através de uma reação de combustão na qual o combustível, normalmente hidrogênio, é oxidado em um dos eletrodos (o ânodo) e o oxigênio, usualmente obtido do ar, é reduzido no outro eletrodo (o cátodo). Uma CaC do tipo PEM (Polymer Electrolyte Membrane)54 unitária consiste de três elementos principais: um ânodo, tipicamente caracterizado por um catalisador contendo platina; uma membrana que é uma folha polimérica sólida agindo como eletrólito; e um cátodo também catalisado com platina. A membrana polimérica somente pode ser atravessada por íons carregados com cargas positivas, sendo impermeável para as cargas negativas. Dessa forma, os lados da membrana resultam carregados como as placas de um capacitor. As cargas negativas podem chegar ao outro lado da membrana fluindo pelo circuito externo, onde se dá a conversão em eletricidade. O resultado deste processo é que cargas de sinais opostos devem ser constantemente geradas em ambos os lados da membrana. Como subproduto tem-se água aquecida. Não há emissão de gases nocivos. O rendimento elétrico das CaC é muito mais elevado do que o que se obtém em qualquer processo de combustão interna, situando-se na faixa de 50%. No entanto, para que se possa usar uma CaC como armazenador de energia, é preciso dispor de hidrogênio. Isso pode ser feito, por 53 André Augusto Ferreira e José Antenor Pomilio: “Estado da Arte sobre a Aplicação de Supercapacitores em Eletrônica de Potência”, Eletrônica de Potência, SOBRAEP, Vol.10, no.2, Novembro de 2005, pp. 25-32. ISSN 14148862 54 http://www.fueleconomy.gov/feg/fcv_pem.shtml http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-31 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio exemplo, por eletrólise da água, armazenando-se H2, o qual será consumido na CaC quando necessário. Do ponto de vista energético, é preciso considerar todo o processo, desde a produção do hidrogênio, até a conversão posterior em eletricidade. É também possível obter hidrogênio pela reforma de gases, como o metano (CH4). Tais procedimentos, no entanto, fogem do foco deste curso, em que tratamos de processos de aproveitamento da eletricidade. Figura 1.37 Esquema simplificado de operação de uma célula a combustível tipo PEM http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Fuel_cell_PT.svg Atualmente, as CaCs já estão disponíveis no mercado internacional e com capacidades modularizadas que variam desde alguns kW até centenas de MW, sendo adequadas para o uso em geração distribuída (GD) e aplicações de armazenamento (UPS).55 A estrutura típica de uma geração baseada em CaCs é vista na figura a seguir e compreende o conjunto de CaCs e os tanques de Combustível (hidrogênio e oxigênio). A eletricidade resultante é em CC. Caso se deseje injetar tal energia na rede, isso é feito via um inversor CC/CA. Estes conversores devem realizar o ajuste do ponto de operação do sistema, regulando a tensão e a corrente das CaCs de forma a otimizar o rendimento da energia produzida ou estabelecer o funcionamento no ponto de máxima potência. Baterias de armazenamento podem estar presentes no barramento CC e neste caso um conversor CC/CC dedicado (carregador das baterias) se faz necessário para controlar o regime de carga/descarga. 55 Geomar Machado Martins: “Desenvolvimento de Conversor Comutado em Baixa Freqüência para Aplicação em Sistemas de Geração Distribuída Baseados em Células a Combustível”, Tese de Doutorado, FEEC-UNICAMP, 14 de julho de 2006. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-32 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica conversor CC/CC inversor CC/CA + CC CC + saída para os componentes auxiliares saída CA 220 V _ CA CC + J. A. Pomilio regulador de tensão - + banco de baterias exaustor S sistema reformador soprador água ar H2 + S ar ar exaustão de ar água fria combustível purga de H2 pilha de FC 2x500Watts saída água Reservatório d'água ventilador válvula solenóide S para H2 água de alimentação regulador de pressão trocador de calor bomba d'água Figura 1.38 Diagrama esquemático de um sistema de geração baseado em CaCs56 1.5.2 Baterias A capacidade de carga das baterias é normalmente expressa na unidade Ampère-hora. Dimensionalmente isso equivale a Coulomb. Ao se multiplicar a capacidade pela diferença de potencial presente nos terminais, tem-se a energia do dispositivo. Há diversos tipos de baterias, como as de chumbo-ácido, íons de lítio, níquel-cádmio, hidretos metálicos, etc. Destas, principalmente me razão de custo, as que são mais largamente usadas nos sistemas de energia são as de chumbo-ácido. Dentre estas, foram desenvolvidas baterias estacionárias, adequadas a longos processos de descarga, operam bem mesmo com descargas profundas (até 10% da carga plena) e apresentam mínima auto-descarga. 1.5.2.1 Chumbo-ácido A bateria de chumbo-ácido é constituída de dois eletrodos, um de chumbo esponjoso e outro de dióxido de chumbo em pó, ambos mergulhados em uma solução de ácido sulfúrico dentro de uma malha de liga chumbo-antimônio. Quando o circuito externo é fechado, conectando 56 Farret, F. A., Pequenos Aproveitamentos Elétricos, livro. Editora da UFSM, 2002. http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-33 Eletrônica de Potência para Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica J. A. Pomilio eletricamente os terminais, a bateria entra em funcionamento (descarga), ocorrendo a semi-reação de oxidação no chumbo e a de redução no dióxido de chumbo.57 A reação produz sulfato de chumbo (PbSO4), insolúvel, que adere aos eletrodos. Quando a bateria está se descarregando, ocorre um consumo de ácido sulfúrico, assim diminui a densidade da solução eletrolítica (água e ácido sulfúrico). O processo de recarga é possível graças aos íons móveis que, ao receberem energia elétrica, invertem a reação química de descarga (reação não espontânea), regenerando os reagentes. No processo de recarga a corrente deve ser significativamente menor do que a que se obtém na descarga da bateria. Normalmente os fabricantes recomendam que tal corrente se limite a 1/3 da corrente de descarga nominal da bateria. Referências adicionais Além das citadas ao longo do texto, foram utilizadas informações e imagens disponibilizadas na WEB: http://www.mme.gov.br/mme/galerias/arquivos/publicacoes/BEN/2_-_BEN_-_Ano_Base/1_-_BEN_Portugues__Inglxs_-_Completo.pdf http://www.mme.gov.br/spe/galerias/arquivos/Publicacoes/matriz_energetica_nacional_2030/MatrizEnergeticaNacion al2030.pdf http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Atlas_Solarimetrico_do_Brasil_2000.pdf http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/atlas_eolico/Atlas%20do%20Potencial%20Eolico%20Brasileiro.p df http://www.eletrobras.gov.br http://www.pmirs.org.br/seminario/iv_Seminario/download/pal18-EolicoJunqueira144_sec.pdf 57 http://pt.wikipedia.org/wiki/Bateria_de_chumbo http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor 1-34
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