Que tipo de gerador é adequado para a geração de energia eólica?

A principal função de uma turbina eólica é converter de forma eficiente e estável a energia mecânica, que varia constantemente com a velocidade do vento, em energia elétrica que possa ser conectada à rede. Portanto, os geradores adequados para a geração de energia eólica não são modelos comuns; eles devem possuir características como a capacidade de se adaptar a uma ampla gama de velocidades de vento, suportar cargas complexas e ser facilmente controláveis ​​pela rede. A moderna indústria de energia eólica se concentra principalmente em três vertentes tecnológicas, cada uma com suas próprias vantagens e adequada a diferentes cenários.

1. Gerador assíncrono de dupla alimentação: antigo pilar da indústria

Durante muito tempo, os geradores assíncronos de dupla alimentação foram a principal tecnologia no mercado de energia eólica. Seu princípio de funcionamento é engenhoso: o rotor do gerador é conectado a um conversor de frequência menor por meio de anéis coletores e escovas de carvão, enquanto o estator é conectado diretamente à rede elétrica.

A maior vantagem desse projeto é sua eficiência econômica. Como o conversor de frequência precisa processar apenas cerca de um terço da energia no circuito do rotor, o custo do equipamento é menor e a perda de energia também é pequena. Além disso, com tecnologia extremamente consolidada e uma cadeia industrial completa, tornou-se uma escolha comum para energia eólica onshore, especialmente para unidades de grande porte (megawatts), nas últimas duas décadas.

No entanto, suas desvantagens tornaram-se cada vez mais evidentes com o desenvolvimento da indústria. Escovas de carvão e anéis coletores são componentes de contato mecânico que exigem manutenção regular no ambiente operacional severo dos parques eólicos e são potenciais pontos de falha. Além disso, devido à conexão direta do estator à rede elétrica, sua capacidade de lidar com flutuações de tensão na rede (ou seja, "capacidade de suportar quedas de tensão") é relativamente fraca.

2. Gerador síncrono de acionamento direto com ímã permanente: um modelo de confiabilidade

A tecnologia de acionamento direto adota uma abordagem completamente diferente. Ela elimina totalmente a caixa de engrenagens de alta velocidade, permitindo que a turbina eólica acione diretamente um gerador síncrono de ímã permanente multipolar. Devido à baixa velocidade, a frequência da corrente emitida varia bastante, portanto, toda a energia elétrica deve ser processada por um inversor de potência antes de ser enviada à rede.

Este projeto traz vantagens revolucionárias. A remoção da caixa de engrenagens com a maior taxa de falhas melhora significativamente a confiabilidade e a facilidade de manutenção da unidade, sendo especialmente adequada para parques eólicos offshore de difícil acesso. Os ímãs permanentes fornecem um campo magnético sem perdas por excitação, resultando em maior eficiência. Mais importante ainda, o conversor de frequência de potência total atua como uma "parede corta-fogo", isolando perfeitamente o gerador da rede elétrica, tornando a turbina eólica extremamente insensível às flutuações da rede e capaz de apoiá-la ativamente, resultando em excelente qualidade de energia.

O desafio reside na necessidade de criar um gerador com um diâmetro enorme e inúmeros polos para gerar eletricidade com frequência suficiente em baixas velocidades, resultando em um volume e peso impressionantes, o que dificulta o transporte e a elevação. Além disso, ele depende de materiais magnéticos permanentes de terras raras, o que acarreta custos mais elevados.

3. Gerador síncrono de ímã permanente de velocidade média (acionamento semidireto): a queridinha da tecnologia atual

Para encontrar um equilíbrio entre a confiabilidade do acionamento direto e a compacidade das estruturas tradicionais, surgiram soluções de compromisso denominadas "acionamento semidireto" ou "acionamento de velocidade média", que rapidamente se tornaram a escolha predominante para grandes turbinas eólicas, especialmente os modelos offshore.

O sistema mantém uma caixa de engrenagens de velocidade média simples e robusta (geralmente com apenas uma engrenagem planetária), que aumenta a velocidade da turbina eólica para um nível moderado, aciona um gerador síncrono de ímã permanente compacto e, finalmente, se conecta à rede elétrica por meio de um conversor de frequência de potência total.

Isso pode ser chamado de "combinação perfeita". Reduz significativamente o tamanho e o peso do gerador com uma caixa de engrenagens simples, resolvendo o problema de transporte das unidades de acionamento direto, ao mesmo tempo que mantém a alta eficiência dos motores de ímã permanente e a excelente compatibilidade com a rede elétrica proporcionada pelos conversores de frequência de potência total. Sua confiabilidade é muito superior à dos sistemas tradicionais de dupla alimentação. Embora a integração tecnológica seja complexa e o custo inicial não seja baixo, as vantagens são significativas em termos do custo total da energia elétrica ao longo de todo o ciclo de vida.

Resumo e Tendências

De forma geral, o caminho da evolução tecnológica das turbinas eólicas é claro:

Os geradores assíncronos de dupla alimentação ainda têm relevância em mercados onshore específicos devido à sua maturidade e economia.

Os geradores síncronos de acionamento direto com ímãs permanentes ocupam um lugar de destaque em áreas marítimas e com baixa velocidade do vento, graças à sua confiabilidade incomparável.

O gerador síncrono de ímã permanente de velocidade média integra com sucesso as vantagens dos dois primeiros, tornando-se o líder tecnológico absoluto no atual desenvolvimento de energia eólica em larga escala e offshore, representando a direção futura do setor.

A escolha do gerador consiste essencialmente na busca do equilíbrio ideal entre investimento inicial, custos de operação e manutenção, eficiência na geração de energia e requisitos de conexão à rede. À medida que as turbinas eólicas se tornam maiores e mais instaladas em alto-mar, as exigências de confiabilidade e capacidade de suporte à rede se tornam cada vez mais complexas. Essa é também a razão fundamental pela qual a tecnologia de geradores de ímã permanente combinada com conversores de frequência de potência total se consolidou como a vencedora.