Conversor de velocidade que incrementa produção de energia eólica recebe patente

O dimensionamento adequado do sistema permite que a reserva de energia armazenada garanta a operação do sistema de geração em ventos de velocidades mais baixas ou até com a turbina eólica parada

Um grupo de pesquisadores da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) recebeu na terça-feira, 16 de março, o patenteamento de um equipamento que permite incrementar a energia eólica produzida e até mesmo potencializar a qualidade da energia elétrica obtida.

O invento desenvolvido é o Regulador Eletromagnético de Frequência (REF), um equipamento que funcionará como um conversor de velocidade capaz de melhorar a estabilidade no sistema, substituindo os conversores de grande porte utilizados para acoplar o aerogerador à rede elétrica, em várias topologias. Em outras palavras, a energia fornecida pelo sistema pode ser constante, não dependendo da velocidade do vento.

Cientista responsável pela concepção inicial da ideia, Ricardo Ferreira Pinheiro frisa que o REF permite projetar sistemas de geração eólicos e híbridos dentro de concepções totalmente inovadoras que poderão repercutir em aumento da confiabilidade operacional, da eficiência da geração, da qualidade da energia elétrica e redução do custo da energia gerada. 

“O REF pode ser aplicado em situações com necessidade de se obter um eixo girante a velocidade constante, sendo a origem do movimento um eixo girante em outra velocidade que não a desejada ou em velocidade aleatoriamente variável. É o que ocorre, por exemplo, em aerogeradores, cuja velocidade de origem depende da velocidade do vento, cujo comportamento é aleatório. Contudo, para entregar a energia gerada à rede elétrica, é necessário que haja compatibilidade entre nível de tensão e frequência e, para obter geração e frequência constante é necessário mover o gerador à velocidade constante. A velocidade extraída diretamente do vento não se adequa, podendo, o REF, solucionar o problema”, explica Ricardo Pinheiro.

A invenção proporciona inovação tecnológica buscando a nacionalização de equipamentos utilizados na produção de eletricidade a partir dos ventos

Com alto potencial para gerar energia elétrica a partir de várias fontes, o Rio Grande do Norte pode se beneficiar em outra nuance da tecnologia patenteada. Isto porque na Região Nordeste há disponibilidade de ventos e, praticamente em todos os locais, de radiação solar em intensidade que viabiliza a geração de eletricidade. O REF pode servir como elemento de hibridização das duas fontes para exploração simultânea, com outras vantagens. “O projeto pode permitir que a energia elétrica produzida seja constante, independentemente das variações do vento e do sol, situação que torna a energia despachável, o que amplia seu valor no mercado.

Além disso, evita-se a conexão de conversores eletrônicos diretamente à rede elétrica, garantindo aumento da qualidade da energia na rede elétrica e da confiabilidade do sistema como um todo. Por fim, outras fontes de energia podem ser associadas, como a produzida por células de hidrogênio, biogás, biomassa e sistemas heliotérmicos”, explicou o docente do Departamento de Engenharia de Computação e Automação (DCA).

Toda essa conjuntura pode ser colocada em prática em grandes aerogeradores, onde o invento pode ser utilizado para compensar as oscilações mecânicas causadas pela variação da velocidade do vento, ampliando a segurança e estabilidade do sistema de geração em benefício da rede elétrica, bem como, em pequenos, momento em que o REF pode contribuir viabilizando o desenvolvimento de sistemas de geração de pequeno porte para utilização isolada, isto é, em locais onde não se tem acesso à rede elétrica. “A característica do REF de controlar velocidade de eixo na sua saída pode viabilizar sua aplicação em veículos elétricos, embora ainda não tenhamos iniciado esse viés de abordagem em nosso laboratório”, acrescenta Ricardo Pinheiro.

A nova tecnologia patenteada é fruto do desenvolvimento da tese de doutorado de Paulo Vitor Silva, defendida no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação (PPgEEC) da UFRN em 2015, cujos experimentos ocorreram no Laboratório de Geração de Energia Elétrica (LAGEL), vinculado à Base de Pesquisa em Otimização e Supervisão de Sistemas Elétricos Industriais (OSSEI). 

A patente do dispositivo (o RAF ao centro, o motor à esquerda e o gerador síncrono à direita) foi concedida sob a denominação Aerogerador de Velocidade Variável e Tensão e Frequência Constantes com Regulação Eletromagnética de Frequêncial

A tese resultou do protótipo 01. “Esse modelo foi desenvolvido para o primeiro teste de viabilização da ideia. Ao final, a viabilidade técnica foi comprovada”, coloca Paulo Vitor. Atualmente, ele é docente do Instituto Federal do Rio Grande do Norte (IFRN), instituição co-titular do invento junto com a UFRN. 

O projeto contou com a participação de Nazareno Costa Júnior, o terceiro inventor, em sua execução e confecção. A partir daí, o protótipo foi utilizado para mais três teses de doutorado, duas de mestrado e várias publicações importantes. Com o uso, as deficiências detectadas foram importantes para a elaboração do projeto do protótipo 02, para cuja montagem se está em busca de recursos. “A intenção é desenvolver o aprofundamento dos estudos no protótipo 02 para, ao final, desenvolver um Cabeça de Série que poderá chegar ao uso comercial.

Energia eólica

A energia eólica acaba de atingir a marca de 18 GW de capacidade instalada, ou 10,3% da matriz elétrica nacional. Os números são do mês de fevereiro e foram apresentados pela Associação Brasileira da Energia Eólica. Ao todo, são 695 parques e 8.310 aerogeradores, dos quais 2.329 em solo potiguar. Uma década atrás o segmento ainda contava com menos de 1 GW de capacidade e hoje é a segunda maior fonte, ficando atrás apenas da hidrelétrica. A previsão é que, até 2024, considerando apenas os leilões já realizados, a fonte avance até cerca de 28 GW. O desenvolvimento de novas tecnologias contribui sobremaneira para essa última perspectiva e é aqui que a concepção do REF entralaça-se.

Para Ricardo Pinheiro, a invenção proporciona inovação tecnológica objetivando a nacionalização de equipamentos utilizados na produção de eletricidade a partir dos ventos, redução de custos para instalação e manutenção, aumento da versatilidade de operação do aerogerador, incremento da energia anual produzida e melhoria da qualidade da energia elétrica obtida. 

Segundo ele, a concepção do REF foi inspirada em anos de estudos relacionados com a energia eólica, nos quais buscava-se conceber uma tecnologia para geração eólica mais adequada ao Brasil, especialmente a região Nordeste. Foram muitas pesquisas cruzando informações relacionadas com a excelente qualidade dos nossos ventos, a má qualidade de nosso sistema elétrico e a busca por uma adequação às características de nosso clima. As várias publicações, teses e dissertações decorrentes desse desenvolvimento, demonstram sua importância acadêmica e para o mercado também.

Os próximos passos da pesquisa serão desenvolvidos nas novas instalações do LAGEL

“Um dos pontos mais importantes do sistema de conversão da energia eólica para a transformação em energia elétrica é o controle de velocidade. Ele interfere de forma direta na frequência da energia elétrica gerada e na qualidade da energia no ponto de conexão do parque com a rede elétrica. A cadeia toda pode ser beneficiada se armazenarmos parte da energia elétrica gerada para uso em situações de menor disponibilidade, o que permitirá, de acordo com o dimensionamento do projeto, manter um sistema de produção de energia para atendimento permanente, sem risco de apagão”, explica o docente.

Texto: Wilson Galvão – AGIR/UFRN
Fotos: Cícero Oliveira – Agecom/UFRN e cedidas