Por que as turbinas eólicas giram tão devagar?

O giro que parece lento

Turbinas eólicas são feitas para captar vento. Por que essas pás parecem tão lentas? Girar mais rápido não daria mais eletricidade? Surpreendentemente, um giro aparentemente lento pode levar as pontas rapidamente pelo ar.

E mais rápido nem sempre é melhor. A velocidade adequada depende do vento, do projeto das pás e dos limites seguros da máquina.

Uma ponta rápida num rotor lento

Observe dois pontos da mesma pá: perto do cubo e na ponta. Completam cada volta juntos, mas a ponta percorre uma distância muito maior nesse tempo. Veja a turbina de referência I E A de quinze megawatts, projeto de pesquisa publicado em dois mil e vinte. Seu rotor tem duzentos e quarenta metros de diâmetro, com rotação nominal de umas sete voltas e meia por minuto.

Com cento e vinte metros de raio, a ponta atinge uns noventa e cinco metros por segundo. Poucas voltas num círculo enorme disfarçam a alta velocidade da ponta. Agora acompanhe uma pequena seção da pá e o ar que ela encontra. Esse fluxo relativo soma o vento e o movimento da pá, então chega à seção em ângulo.

O perfil aerodinâmico gera sustentação perpendicular ao fluxo relativo, enquanto o arrasto acompanha o fluxo. Parte da força aerodinâmica resultante impulsiona a pá no sentido da rotação e gira o cubo. Outra componente empurra o rotor ao longo do eixo, e a estrutura precisa suportá-la. Mudar a velocidade ou o ângulo da pá muda o fluxo, e assim a força de giro e as cargas.

Encontrando a velocidade útil

Engenheiros comparam as velocidades da ponta e do vento pela chamada razão de velocidade de ponta. Uma ponta com nove vezes a velocidade do vento tem razão nove, independentemente das unidades. Cada projeto de pá e ajuste de passo tem uma faixa útil para captar energia do fluxo. Aumentar a rotação pode aproximar o rotor dessa faixa, mas aumentá-la demais pode afastá-lo.

Essa razão não define sozinha o melhor ajuste para cada turbina. O projeto I E A distingue o ponto de operação escolhido daquele com maior coeficiente de potência aerodinâmica, pois também precisa respeitar os limites de carga. Na faixa principal abaixo da velocidade nominal do vento, o torque controlado do gerador ajusta a rotação à razão de velocidades escolhida.

A resistência controlável do gerador ao giro permite ao controlador influenciar a velocidade do rotor. Com vento mais fraco, esse projeto também mantém uma rotação mínima do rotor, mudando a estratégia de controle. Mesmo antes da potência nominal, uma turbina real tem limites que a impedem de seguir sempre a razão ideal. Atingidas as condições nominais, o controle de passo dessa turbina mantém a rotação perto do valor nominal.

Girar as pás sobre seus eixos longitudinais muda seu ângulo ao fluxo, permitindo limitar a potência captada. As pás e a torre precisam suportar as cargas, e as pás devem manter distância da torre mesmo ao se curvarem. O controlador trabalha dentro desses limites: mais vento não quer dizer giro e produção subindo sem limite.

Trocando torque por velocidade

Para observar engrenagens, passamos à transmissão Gearbox Reliability Collaborative do N R E L, de setecentos e cinquenta quilowatts. Essa referência antiga usa dois modos de velocidade nominal do gerador, distintos do I E A de velocidade variável. Siga o eixo principal do cubo à caixa: um estágio planetário aciona dois paralelos. No teste escolhido, o eixo principal gira umas vinte e duas vezes por minuto; o do gerador, umas mil e oitocentas.

São umas oitenta e uma voltas e meia na saída por volta na entrada. Só o par final quadruplica a velocidade: oitenta e oito dentes acionam um pinhão de vinte e dois. Em contato pelos dentes, a engrenagem menor precisa dar mais voltas para acompanhar a maior. Isso define a relação de velocidades, multiplicada pelas relações dos estágios seguintes até o gerador.

Potência mecânica é torque vezes velocidade angular, então um eixo mais rápido não cria potência na caixa. Numa transferência ideal e estável, mais velocidade significa menos torque na mesma proporção, e a potência se mantém. Numa caixa real, o atrito causa perdas: a potência mecânica na saída é menor que na entrada. Aumentar a velocidade permite usar um gerador mais rápido, que pode ser menor que um de baixa rotação.

Desaceleramos o mecanismo para observá-lo, mantendo os eixos conectados na mesma escala de tempo. A relação de engrenagens explica os giros diferentes; a próxima pergunta é como o gerador converte essa potência mecânica em elétrica.

A passagem para a eletricidade

Agora usamos um modelo simples de gerador: uma fonte magnética girando e bobinas fixas. Assim isolamos a indução eletromagnética; o desenho não representa a construção do gerador do G R C. Observe o campo magnético atravessando uma bobina enquanto a fonte gira. O fluxo magnético nessa bobina varia; a lei de Faraday relaciona essa taxa de variação à tensão induzida.

Aqui o fluxo sobe e desce a cada volta, e a tensão muda de sentido. A tensão segue o ritmo de mudança do fluxo: seus picos não coincidem com os do fluxo. Mesmo em circuito aberto, o fluxo variável pode induzir tensão nos terminais. No nosso circuito aberto ideal, nenhuma corrente chega à carga; só essa tensão não indica transferência de potência elétrica útil.

Fechando o circuito com uma carga, pode fluir corrente, transferindo energia do gerador para ela. Essa corrente cria uma resposta magnética contrária à mudança que a gerou, produzindo resistência eletromagnética ao giro do gerador. O eixo precisa fornecer trabalho mecânico contra essa resistência para manter a transferência elétrica. Essa é a ligação entre torque e geração: a força de rotação do rotor fornece energia,

enquanto o gerador e o circuito conectado determinam como extraí-la.

Do gerador à rede

Para a conexão elétrica, usamos um modelo de pesquisa documentado com conversor completo, baseado na CART três do N R E L, a Controls Advanced Research Turbine. Aqui, a eletrônica de potência liga a operação variável do gerador à rede de corrente alternada. No modelo descrito, um retificador converte a corrente alternada do gerador em corrente contínua, que passa por um elo de corrente contínua. Um inversor a converte então em corrente alternada controlada, na frequência da rede.

Assim, a velocidade e a frequência elétrica do gerador podem variar sem alterar a frequência da rede. No esquema básico, o conversor conectado à rede controla a tensão do elo contínuo e a potência trocada com ela. Um transformador faz outro trabalho: muda a tensão da corrente alternada. Elevar a tensão de transmissão reduz a corrente necessária para transportar potência, ajudando a reduzir perdas nas linhas que levam eletricidade do parque.

A rede do parque reúne a produção das turbinas e a conecta à rede geral por uma subestação. Gerador, conversor e transformador fazem partes diferentes dessa transferência, depois que o vento já forneceu a energia mecânica.

Tirando a caixa de engrenagens

Voltemos ao projeto de referência I E A de quinze megawatts, de acionamento direto. O rotor se liga ao gerador sem caixa multiplicadora, então o gerador trabalha na baixa velocidade do próprio rotor. O gerador tem um anel de ímãs permanentes na parte externa que gira, em volta de uma estrutura fixa com bobinas. Seus muitos polos magnéticos passam pelas bobinas e fazem uma volta mecânica lenta produzir repetidas mudanças magnéticas.

Tirar a caixa muda como rotor e gerador se acoplam, mas a pá mantém sua tarefa aerodinâmica. Este acionamento direto também controla torque e passo para captar energia dentro dos limites de operação do rotor. O arranjo da caixa descreve a conexão mecânica; o do conversor, a elétrica. São questões diferentes: só de olhar um rotor lento, não sabemos qual é o conjunto completo de transmissão e sistema elétrico por trás dele.

Lendo o rotor de novo

Veja de novo a ponta da pá percorrendo esse grande círculo. Um rotor pode dar poucas voltas por minuto com pontas rápidas, porque cada volta as leva muito longe. Girar mais rápido só ajuda quando aproxima a máquina de uma operação útil dentro dos limites. A potência depende também do torque e de como o gerador e o sistema elétrico transferem a energia.

Essas voltas aparentemente lentas fazem parte da troca controlada entre ar em movimento e rede elétrica. Conforme o vento, o controlador pode ajustar passo das pás e torque do gerador, mantendo o rotor na faixa projetada.