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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA
Análise e tomada de decisão em geradores elétricos aplicados em turbinas
eólicas
Davi Freitas de Paiva
Itajubá, setembro de 2018
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA
Davi Freitas de Paiva
Análise e tomada de decisão em geradores elétricos aplicados em turbinas
eólicas
Monografia apresentada ao Instituto de
Sistemas Elétricos e Energia, da
Universidade Federal de Itajubá, como parte
dos requisitos para obtenção do título de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Edson da Costa Bortoni
Coorientador: Prof. Roberto Akira Yamachita
Itajubá, setembro de 2018
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
iii
Agradecimentos
Aos meus colegas que sempre estiveram dispostos a me ajudar e contribuíram fortemente para
os melhores momentos que vivi durante meu período acadêmico.
Ao meu orientador, pela proposta do tema e pelo apoio e disponibilidade manifestados ao longo
da realização deste trabalho.
À minha família e a todos que me fizeram acreditar que o importante não é o que você tem na
vida, mas quem você tem na vida, e que depois de algum tempo você aprende que é capaz de
suportar e ir muito mais além do que pensava.
A todos, meus sinceros agradecimentos.
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
iv
Resumo
A crescente inserção de geração eólica no mundo motiva estudos relativos a aspectos
interessantes dessa tecnologia. A base da geração eólica é a turbina eólica, composta por
diversos equipamentos dentre eles o gerador. Naturalmente, cada alternativa para a tecnologia
empregada no gerador tem pontos favoráveis e desfavoráveis. Este trabalho final de graduação
realiza uma análise das alternativas de geradores a serem empregados em turbinas eólicas dentre
os quais se devem selecionar a melhor opção em termos de custo e desempenho técnico,
considerando apenas alguns geradores síncronos e assíncronos. Como o processo de tomada
decisão é um cenário complexo e envolve diversos critérios e possibilidades, com o intuito de
oferecer uma análise objetiva de aspectos qualitativos e quantitativos que permeiam a escolha
de uma determinada tecnologia, foi aplicado um método de apoio à tomada de decisão chamado
de AHP (Analytic Hierarchy Process). Este método permitiu comprovar as vantagens dos
equipamentos estudados, merecendo destaque para dois geradores em específico, o gerador de
indução duplamente alimentado e o gerador síncrono de ímãs permanentes.
Palavras chave: Geração eólica; Método AHP; Gerador; Tomada de decisão.
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
v
Abstract
The increasing insertion of wind generation in the world motivates studies concerning
interesting aspects of this technology. The basis of wind generation is the wind turbine,
composed of several equipment including the generator. Naturally, each alternative to the
technology employed in the generator has favorable and unfavorable points. This final
graduation work analyzes the alternatives of generators to be used in wind turbines, among
which the best option in terms of cost and technical performance should be selected, considering
only some synchronous and asynchronous generators. As the decision-making process is a
complex scenario and involves several criteria and possibilities, in order to offer and objective
analysis of qualitative and quantitative aspects that permeate the choice of a certain technology,
a method that supports the decision-making called AHP (Analytic Hierarchy Process) was
applied. This method allowed to prove the advantages of the studied equipment, being worth
highlighting two generators in particular, the double fed induction generator and the permanent
magnet synchronous generator
Key words: Wind generation, AHP method, Generator, Decision-making tool.
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
vi
Lista de Figuras
Figura 2.1 – Formação dos ventos. ........................................................................................... 16
Figura 2.2 - Fluxo de ar através de uma área transversal A. ..................................................... 17
Figura 2.3 - Perdas de velocidade do vento na passagem por um conjunto de pás. ................. 18
Figura 2.4 - Distribuição de Cp em função de v3/v1. ................................................................. 19
Figura 2.5 - Principais forças atuantes em uma pá eólica. ....................................................... 20
Figura 2.6 – Ilustração do corte transversal de uma pá eólica. ................................................. 20
Figura 2.7 – Aerogerador composto por três pás eólicas de eixo horizontal e torre tubular. ... 21
Figura 2.8 – Esquema básico e constituintes de um Aerogerador. ........................................... 21
Figura 2.9 – Pá eólica em construção. ...................................................................................... 22
Figura 2.10 – Rotor com eixo vertical do tipo Darrieus. .......................................................... 23
Figura 2.11 – Cubo de um aerogerador. ................................................................................... 23
Figura 2.12 – Exemplos de caixas multiplicadores aplicadas em aerogeradores. .................... 24
Figura 2.13 – Nacele e o cubo de um aerogerador. .................................................................. 25
Figura 2.14 – Torre eólica. ....................................................................................................... 25
Figura 2.15 – Esquema simplificado dos modelos de aerogeradores usados atualmente. ....... 26
Figura 2.16 – Configurações de Aerogeradores. ...................................................................... 27
Figura 2.17 – Fluxo descolado do perfil. .................................................................................. 28
Figura 2.18 – Fluxo aderente ao perfil. .................................................................................... 29
Figura 2.19 – Forma típica de uma curva de potência com controle de passo. ........................ 29
Figura 2.20 - Forma típica de uma curva de potência com controle tipo “estol ativo”. ........... 30
Figura 3.1 – Modos de operação da máquina de indução. ....................................................... 33
Figura 4.1 - Sistema de Geração Eólica com GIGE. ................................................................ 40
Figura 4.2 - Sistema de geração eólica com GIDA. ................................................................. 42
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
vii
Figura 4.3 - Sistema de Geração Eólica com GSRB. ............................................................... 44
Figura 4.4 - Sistema de Geração Eólica com GSIP. ................................................................. 47
Figura 5.1 – Exemplo de uma matriz de comparação. ............................................................. 57
Figura 5.2 – Índice Randômico Médio do AHP. ...................................................................... 60
Figura 5.3 – Hierarquia definida pela aplicação do Método. ................................................... 65
Figura 5.4 - Matriz de comparação entre os critérios. .............................................................. 65
Figura 5.5 – Método de normalização. ..................................................................................... 66
Figura 5.6 - Matriz de comparação de alternativas para a classe de vento............................... 67
Figura 5.7 - Matriz de comparação de alternativas para o custo de manutenção. .................... 67
Figura 5.8 - Matriz de comparação de alternativas para o custo do gerador. ........................... 67
Figura 5.9 - Matriz de comparação de alternativas para o custo da eltrônica de potência. ...... 68
Figura 5.10 - Matriz de comparação de alternativas para a eficiência. .................................... 68
Figura 5.11 – Matriz final de decisão. ...................................................................................... 69
Figura 5.12 – Gráfico da distribuição das preferências em relação a cada critério. ................. 69
Figura 5.13 - Gráfico da distribuição das preferências em relação a cada alternativa. ............ 70
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
viii
Lista de Tabelas
Tabela 4.1 – Vantagens e desvantagens qualitativas para cada tipo de gerador abordado. .... 48
Tabela 4.2 – Resumo das características importantes de cada gerador. .................................. 51
Tabela 4.3 – Classe de vento segundo a IEC 61400-1. ........................................................... 52
Tabela 5.1 – Comparações entre valores qualitativos e quantitativos do AHP. ...................... 58
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ix
Lista de Abreviaturas e Siglas
CI Consistency Index
CR Consistency Ratio
DFIG Double fed induction generator
GI Gerador de indução
GIDA Gerador de indução duplamente alimentado
GIGE Gerador de indução com rotor gaiola de esquilo
GS Gerador síncrono
GSIP Gerador síncrono de imãs permanentes
GSRB Gerador síncrono com rotor bobinado
GWEC Global World Energy Council
IG Induction generator
IGBT’s Insulated gate bipolar transistor
PMSG Permanent magnet synchronous generator
PWM Pulse width modulation
RI Random Index
SG Synchronous generator
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x
Sumário
CAPÍTULO 1 .......................................................................................................................... 12
INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 12
1.1 Motivação ................................................................................................................ 12
1.2 Objetivos .................................................................................................................. 13
1.3 Estrutura do trabalho ............................................................................................ 13
CAPÍTULO 2 .......................................................................................................................... 14
A ENERGIA EÓLICA ........................................................................................................... 14
2.1 Descrição histórica .................................................................................................. 14
2.2 O recurso eólico ...................................................................................................... 15
2.3 A potência eólica ..................................................................................................... 16
2.4 Forças atuantes na pá ............................................................................................. 19
2.5 Aspectos construtivos do aerogerador .................................................................. 21
2.5.1 Pás, rotor, cubo e eixo ......................................................................................22
2.5.2 Transmissão e caixa multiplicadora ................................................................24
2.5.3 Nacele ..............................................................................................................24
2.5.4 Torre .................................................................................................................25
2.5.5 Gerador .............................................................................................................26
2.6 Mecanismo de controle ........................................................................................... 27
2.6.1 Controle estol (stall) .........................................................................................27
2.6.2 Controle de passo (pitch) .................................................................................28
2.6.3 Controle estol ativo ..........................................................................................29
CAPÍTULO 3 .......................................................................................................................... 31
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS GERADORES ............................................. 31
3.1 Grupos de geradores assíncronos .......................................................................... 31
3.1.1 Gerador assíncrono com rotor bobinado ..........................................................35
3.1.2 Gerador assíncrono com rotor gaiola de esquilo ..............................................35
3.2 Grupo de geradores síncronos ............................................................................... 36
CAPÍTULO 4 .......................................................................................................................... 39
4. TECNOLOGIAS DE GERADORES APLICADAS À ENERGIA EÓLICA .............. 39
4.1 Gerador de indução com rotor gaiola de esquilo (GIGE) ................................... 39
4.2 Gerador de indução duplamente alimentado (GIDA) ........................................ 41
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
xi
4.3 Gerador síncrono com rotor bobinado (GSRB) .................................................. 44
4.4 Gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP) .................................................. 46
4.5 Comparativo das tecnologias ................................................................................. 48
CAPÍTULO 5 .......................................................................................................................... 53
MÉTODO DE TOMADA DE DECISÃO ............................................................................ 53
5.1 Aspectos iniciais ...................................................................................................... 53
5.2 Aplicabilidade do AHP e benefícios ...................................................................... 54
5.3 Estruturação e hierarquização do método AHP .................................................. 55
5.4 Fundamentação conceitual do método AHP ........................................................ 57
5.5 Validação do método segundo a ferramenta computacional utilizada .............. 62
5.6 Aplicação do método AHP para geradores eólicos .............................................. 62
CAPÍTULO 6 .......................................................................................................................... 72
CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÃO .................................................................. 72
6.1 Conclusão ................................................................................................................ 72
6.2 Recomendações para trabalhos futuros ............................................................... 73
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 74
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
12
Capítulo 1
Introdução
O presente capítulo visa dar início a ambientação do trabalho, discutindo a motivação,
os objetivos e a estrutura da monografia.
1.1 Motivação
A qualidade de vida em uma sociedade está diretamente relacionada com o consumo de
energia. O aumento da demanda por este insumo modifica as políticas e economias de todos os
países do mundo, principalmente aqueles em ascensão. A preocupação com o abastecimento de
energia é pautada com o possível esgotamento das reservas petrolíferas aliadas ao aumento dos
preços no mercado de combustíveis fósseis. Questões ambientais também são levadas em
consideração intensificando a busca por fontes renováveis de energia (MARTINS;
GUARNIERI; PEREIRA, 2008).
Fatores como estes promovem incentivos para a ampliação da capacidade total instalada
de energia eólica no mundo. É um fato que a energia eólica está em rápida transição para se
tornar uma tecnologia amplamente comercializada e subsidiada. Segundo o relatório Global
Wind Report 2017 do GWEC (GWEC, 2018), o mercado mundial de energia eólica apresentou
um aumento de aproximadamente 10% de capacidade total instalada de 2016 para 2017, sendo
este valor por volta de 50 GW a nível mundial, com a Europa e a Índia apresentando
significativos crescimentos em instalações offshore.
Segundo este mesmo relatório, desde 2011 o Brasil também apresentou um expressivo
crescimento de sua capacidade total instalada, passando de 1,4 MW para aproximadamente 12,7
MW. No último ano, o aumento em termos percentuais da capacidade instalada brasileira foi
de 18,8%, valor este sendo maior do que a média global, possibilitando cada vez mais, o
desenvolvimento da energia eólica dentro da matriz de geração elétrica brasileira.
Esse avanço da inserção de geração eólica no mundo motiva estudos relativos a aspectos
interessantes dessa tecnologia, sejam estes aspectos econômicos ou técnicos. Como a base para
a geração eólica é a turbina que é composta por vários componentes dentre eles o gerador, esta
monografia visa contribuir para a melhor seleção de um dos itens de um sistema eólico, de
forma ampliar a competitividade desta tecnologia minimizando as escolhas e projetos errados
que possam vir a ocorrer.
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
13
1.2 Objetivos
Dentre as diversas alternativas para a tecnologia empregada no gerador de uma turbina
eólica, todas apresentam pontos favoráveis e desfavoráveis. Este trabalho final de graduação
tem como objetivo principal fazer uma análise dessas alternativas de geradores a serem
empregados em turbinas eólicas com base em suas características qualitativas e quantitativas.
Além disso, também é objetivo deste trabalho aplicar uma ferramenta de tomada de decisão
conhecida como método AHP (Analytic Hierarchy Process) de modo a auxiliar na escolha da
opção mais adequada. Este processo visa tornar as decisões pautadas sobre justificativas mais
objetivas. Nesse último caso, deve-se levar em consideração que a experiência do usuário
também contribuirá para a melhor seleção a ser utilizada.
1.3 Estrutura do trabalho
Esta monografia está dividida em seis capítulos, no qual os quatro capítulos iniciais
constituem a contextualização de um estudo acerca dos diferentes tipos de geradores aplicados
à geração eólica para poder se entender quais podem ser as variáveis para se utilizar no quinto
capítulo deste trabalho, capítulo este que discute mais detalhadamente sobre o método de
tomada de decisão em si.
Sendo assim, o primeiro capítulo é composto pela apresentação do tema, seus objetivos
e sua importância. Já o segundo capítulo apresenta conceitos gerais sobre energia eólica, de
forma a situar o leitor sobre o assunto a ser tratado na monografia, conceitos estes como geração
de ventos, extração de potência eólica e aspectos construtivos de uma turbina eólica. No terceiro
capítulo é feito uma revisão sobre o princípio de funcionamento de um dos principais
componentes em uma turbina eólica, o gerador, no qual é discutido especificamente sobre os
geradores síncronos e os geradores assíncronos. Já no quarto capítulo é apresentado um estudo
que elenca as principais características qualitativas e quantitativas de quatro tecnologias
aplicadas a aerogeradores presentes no mercado, são elas: GIGE, GIDA, GSRB e GSIP.
O quinto capítulo é composto tanto pela ambientação quanto pela aplicação de um
método de tomada de decisão conhecido como AHP (Analytic Hierarchy Process) para a
escolha do melhor gerador eólico nos aspectos técnicos e econômicos para um dado cenário de
estudo de forma a minimizar os aspectos subjetivos de uma decisão como esta, no complexo
cenário de possibilidades. Por fim, o sexto apresenta as conclusões alcançadas com este trabalho
final de graduação e também as recomendações para trabalhos futuros.
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
14
2. Capítulo 2
A Energia Eólica
O presente capítulo tem como objetivo situar conceitos relacionados a geração eólica,
os componentes básicos que constituem um sistema eólico, além de apresentar uma breve
introdução histórica do surgimento desta tecnologia.
2.1 Descrição histórica
Com as necessidades surgindo ao longo do desenvolvimento na agricultura, o homem
necessitava cada vez mais de novas ferramentas e utensílios que propiciassem a realização de
suas tarefas. Dado isto, tarefas como a moagem de grãos e bombeamento de água foram
algumas das primeiras atividades a serem implementadas com o auxílio das forças dos ventos.
O primeiro registro histórico por volta de 200 A.C. da utilização de energia eólica para
bombeamento de água e moagem de grãos através de uma espécie de cata-ventos é proveniente
da Pérsia. Este tipo de moinho de eixo vertical veio a se espalhar pelo mundo islâmico no qual
foi utilizado por vários séculos. Estudiosos acreditam que mesmo antes do surgimento do cata-
ventos na Pérsia, os Chineses (por volta de 2000 A.C.) e o Império Babilônico (por volta de
1700 A.C.) já utilizavam cata-ventos para irrigação (SHEFHERD, 1994; CHESF-BRASCEP,
1987). Um importante avanço desta tecnologia veio a ocorrer nas ilhas gregas do mediterrâneo
com a utilização de velas de sustentação de eixo horizontal (DUTRA, 2008).
Logo após as Cruzadas (1095 – 1291), a tecnologia dos cata-ventos foi introduzida na
Europa, seguido de um desenvolvimento bem documentado no qual estas máquinas primitivas
foram utilizadas até o Século XII. A partir daí, já na Idade Média, países como Holanda,
Inglaterra e França apresentaram um desenvolvimento mais significativo na tecnologia,
começando a aprimorar melhor as pás, o sistema de controles, eixos, etc. Estas melhorias
permitiram durante os séculos XVII a XIX a utilização em grande escala na Holanda,
principalmente para drenagem de terras cobertas pelas águas (DUTRA, 2008).
Ao final do Século XIX, a Revolução Industrial trouxe com o surgimento da máquina a
vapor, o declínio do uso de energia eólica na Europa (SHEFHERD, 1994). Nessa época esse
sistema de cata-ventos já havia sido utilizado em outras regiões como a Austrália, Rússia, África
e América Latina, tendo sido um sistema de fácil adaptação principalmente às condições rurais
devido a sua fácil operação e manutenção.
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
15
Já no século XX, começaram a surgir várias pesquisas para aproveitamento da energia
eólica em geração de grandes blocos de energia (DUTRA, 2008). O marco para o início dessas
pesquisas se deu em 1888 com Charles F. Bruch, um industrial que ergueu na cidade de
Cleveland o primeiro cata-vento destinado a geração de energia elétrica (SCIENTIFIC
AMERICA, 1994). Sua invenção apresentava três importantes inovações para o uso da energia
eólica na época. Em primeiro lugar, a altura utilizada pelo invento estava dentro das categorias
dos moinhos de ventos utilizados na época. Em segundo lugar, foi introduzido um mecanismo
semelhante a uma caixa de engrenagens capaz de multiplicar a rotação das pás em até 50 vezes.
E em terceiro lugar, essa invenção foi a primeira na qual se combinou a aerodinâmica dos
moinhos de ventos com as pesquisas e tecnologias envolvidas na produção de energia elétrica
(DUTRA, 2008).
Após o feito de Bruch, foram surgindo outras invenções que impulsionaram o avanço
da tecnologia de aerogeradores até o período compreendido pela Segunda Guerra Mundial
(1939-1945). Após a Segunda Guerra, houve um desinteresse em se investir no
desenvolvimento de aerogeradores pois o petróleo e as grandes usinas hidrelétricas se tornaram
extremamente competitivos economicamente. Mesmo assim, durante este período houve
pesquisas principalmente aliadas entre a indústria e universidades, em prol de entender melhor
as possibilidades de extração e aproveitamento do potencial eólico. É interessante mencionar
que durante o pós Segunda Guerra, países como a Alemanha, a França, a Dinamarca e a
Inglaterra promoveram grandes avanços em projetos e pesquisas eólicas.
2.2 O recurso eólico
Os ventos são formados pelo aquecimento irregular da superfície terrestre e da
atmosfera, dessa maneira, pode ser afirmado que a energia eólica é proveniente do Sol. Esta
irregularidade se deve principalmente à orientação dos raios solares e aos movimentos da terra
(BURTON et al., 2011).
Devido ao fenômeno da convecção, o ar quente que se encontra nas baixas altitudes das
regiões tropicais tende a subir, sendo substituído por uma massa de ar frio que se desloca das
regiões polares. O deslocamento das massas de ar determina a formação de ventos conforme a
Figura 2.1:
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
16
Figura 2.1 – Formação dos ventos.
Fonte: CEPEL (2018).
Além dessa gigantesca massa de ar se locomovendo, há também outros fenômenos
semelhantes como este, porém, ocorrem em uma menor escala, é o caso das monções e das
brisas. Em uma escala menor ainda ocorre a manifestação dos ventos devido a mudanças de
aquecimento das massas de ar ao longo do dia (BURTON et al., 2011).
A movimentação das massas de ar ainda é algo muito mais complexa, devido a fatores
como a variação da velocidade com a altura, a rugosidade do terreno e a presença de obstáculos
nas redondezas sendo necessária uma análise por meio de modelos probabilísticos do
escoamento de ventos (SILVA, 2008).
2.3 A potência eólica
A energia cinética associada a uma coluna de ar é dada por:
𝐸 =1
2 𝑚 ∙ 𝑣² (2.1)
Onde:
E = energia cinética [J].
v = velocidade do vento [m/s].
m = massa da coluna de ar [kg].
Considerando a mesma coluna de ar que se desloca na mesma velocidade v, em direção
perpendicular a uma seção transversal de um cilindro imaginário conforme a Figura 2.2, pode-
se demonstrar que a potência disponível do vento que passa pela seção com área A, transversal
ao fluxo de ar é dada por (DUTRA, 2008):
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
17
𝑃 =1
2 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣³ (2.2)
Onde
P = potência do vento [W].
ρ = massa específica do ar [kg/m³].
A = área da seção transversal [m²].
Figura 2.2 - Fluxo de ar através de uma área transversal A.
Fonte: SILVA (2008).
A conversão de energia no sistema eólico se dá através da redução da velocidade do
vento ao atravessar as pás, pois o rotor ao provocar a diminuição da velocidade de escoamento
do vento consegue retirar parte da energia cinética dessa massa de ar e converter em energia
mecânica. Esta redução na velocidade do vento é resultado de um somatório de todas as
diferentes pressões que são exercidas pelas massas de ar sobre as pás (COSTA, 2005).
Para considerar o fato de que a potência disponível pelo vento não pode ser totalmente
aproveitada pela turbina eólica, é introduzido um índice denominado de coeficiente de potência
Cp, que representa a fração da potência eólica disponível que realmente é utilizada e convertida
em potência mecânica (DUTRA, 2008).
Com o intuito de determinar o valor máximo desta parcela de energia extraída do vendo
(CpMÁX), o físico alemão Albert Betz realizou um estudo conforme ilustra a Figura 2.3, na qual
v1 representa a velocidade do vento na região a montante às pás, v2 a velocidade do vento no
nível das pás e v3 a velocidade do vento a jusante das pás (DUTRA, 2008).
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
18
Figura 2.3 - Perdas de velocidade do vento na passagem por um conjunto de pás.
Fonte: DUTRA (2008).
Betz assumiu que há um deslocamento homogêneo do fluxo de ar com um retardo da
velocidade v1 pelo conjunto de pás assumindo uma velocidade v3 a jusante das pás. A lei da
continuidade implica em:
𝜌 ∙ 𝑣1 ∙ 𝐴1 = 𝜌 ∙ 𝑣2 ∙ 𝐴2 = 𝜌 ∙ 𝑣3 ∙ 𝐴3 (2.3)
Devido à redução mínima de pressão, a densidade do ar pode ser considerada constante.
Tem-se também que a energia cinética extraída pela turbina eólica é dada pela diferença entre
a energia cinética a montante e a energia cinética a jusante do conjunto de pás (DUTRA, 2008):
𝐸𝑒𝑥 =1
2 𝑚 ∙ (𝑣1
2 − 𝑣32) (2.4)
A potência extraída do vento é por sua vez:
𝑃𝑒𝑥 =1
2 �̇� ∙ (𝑣1
2 − 𝑣32) (2.5)
Neste ponto, é necessário fazer duas considerações importantes, a primeira é que se a
velocidade do vento não fosse alterada (v1 = v3) não haveria extração de nenhuma potência. A
segunda é que se a velocidade fosse reduzia a zero (v1 = 0), não haveria circulação de massa de
ar, impossibilitando a extração de uma potência (SILVA, 2008).
A partir dessas duas considerações, tendo a velocidade no rotor v2 conhecida, a
velocidade referente ao máximo de potência extraída é um valor entre v1 e v3, podendo ser
calculada. A massa de ar é dada por (SILVA, 2008):
�̇� = 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣2 (2.6)
Há ainda a relação entre v1, v2 e v3 segundo o teorema de Rankine-Froude, que é dada
por:
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19
𝑣2 =𝑣1 + 𝑣3
2 (2.7)
Se a massa de ar apresentada na equação (2.6) e a velocidade v2 apresentada na equação
(2.7) forem inseridas na mesma equação (2.5), tem-se:
𝑃𝑒𝑥 =1
2 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣1
3 ∙ {1
2[1 +
𝑣3
𝑣1] [1 − (
𝑣3
𝑣1)2
]} (2.8)
Onde:
- Potência do vento 𝑃 = 1
2 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣1
3
- Coeficiente de Potência 𝐶𝑝 = {1
2[1 +
𝑣3
𝑣1] [1 − (
𝑣3
𝑣1)2
]}
Para finalizar, ao se considerar o coeficiente de potência Cp em função de v3/v1 tem-se
que (SILVA, 2008):
𝐶𝑝𝐵𝑒𝑡𝑧 =16
27= 0,593 𝑜𝑛𝑑𝑒
𝑣3
𝑣1=
1
3 (2.9)
Esta dedução pode ser comprovada com o auxílio da Figura 2.4, que demonstra a
distribuição de Cp em função de v3/v1:
Figura 2.4 - Distribuição de Cp em função de v3/v1.
Fonte: DUTRA (2008).
2.4 Forças atuantes na pá
Quando se observa uma pá eólica, há determinadas forças atantes durante sua operação,
assim como ângulos característicos como o ângulo de ataque (α) e o de passo (β). Dentre essas
forças há a força de sustentação, que é perpendicular ao fluxo do vento resultante visto pela pá
(Vres), resultado da subtração vetorial da velocidade do vento incidente (Vw) pela velocidade
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
20
tangencial (Vtan) da pá da turbina eólica, conforme a seguinte equação (2.10) (DUTRA, 2008;
MONTEZANO, 2007):
𝑉𝑟𝑒𝑠⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ = 𝑉𝑤⃗⃗⃗⃗ − 𝑉𝑡𝑎𝑛⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ (2.10)
O torque que gera a rotação da turbina eólica é resultante das componentes da força de
sustentação e de arrasto na direção de Vtan conforme as Figura 2.5 e 2.6:
Figura 2.5 - Principais forças atuantes em uma pá eólica.
Fonte: MONTEZANO (2007).
Figura 2.6 – Ilustração do corte transversal de uma pá eólica.
Fonte: HOWSTUFFWORKS (2018).
De acordo com as Figuras 2.5 e 2.6 é possível perceber que basicamente é a força de
sustentação que faz a pá girar, já a força de arrasto permite realizar a frenagem da pá.
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
21
2.5 Aspectos construtivos do aerogerador
Os aerogeradores possibilitam a extração da energia cinética dos ventos através dos mais
variados arranjos e aspectos construtivos diferentes. Contudo, devido as características
influentes do mercado, os aerogeradores mais dominantes comercialmente possuem geralmente
eixo horizontal, com torre tubular e detentor de três pás eólicas, conforme a Figura 2.7:
Figura 2.7 – Aerogerador composto por três pás eólicas de eixo horizontal e torre tubular.
Fonte: NOCTULA (2018).
Em busca sempre de atender às expectativas e exigências do cliente, os aerogeradores
atuais atendem a padrões de qualidade tanto relacionado a aspectos construtivos quanto a
aspectos operacionais. Estes padrões juntamente com os requisitos do mercado, definem o grau
de confiabilidade do equipamento, juntamente com a tecnologia de maior predominância no
mercado.
Ao se detalhar um pouco mais sobre os componentes do aerogerador, é possível destacar
a estrutura interna da parte superior de um aerogerador conforme a Figura 2.8:
Figura 2.8 – Esquema básico e constituintes de um Aerogerador.
Fonte: Adaptado de PORTAL ENERGIA (2018).
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
22
2.5.1 Pás, rotor, cubo e eixo
As pás são peças com perfis aerodinâmicos que permitem a captação da energia cinética
do vento convertendo esta em rotação que é transmitida ao rotor. Basicamente são construídas
em um processo artesanal a partir de materiais como plásticos, fibra de vidro reforçadas com
epóxi com uma fixação feita em aço inoxidável como pode ser observado na Figura 2.9
(CUSTÓDIO, 2013).
Figura 2.9 – Pá eólica em construção.
Fonte: SIEMENS (2018).
Nas turbinas que utilizam determinado tipo de controle de velocidade por passo, a pá
possui também de um rolamento em sua base para que seja possível o ajuste do seu ângulo de
ataque (DUTRA, 2008).
O rotor é um elemento de fixação das pás que transmite o movimento de rotação para o
eixo de baixa velocidade. Um de seus principais componentes é um sistema hidráulico que
possibilita a movimentação das pás. No mercado atual, existem rotores de eixo vertical (Figura
2.10) e horizontal (Figura 2.7). É interessante ressaltar que devido à variedade de tecnologias
aplicadas à aerogeradores, nesta monografia serão apresentados apenas os rotores que possuem
eixo horizontal.
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23
Figura 2.10 – Rotor com eixo vertical do tipo Darrieus.
Fonte: CUSTÓDIO (2013).
A fixação das pás é feita através de flanges em uma estrutura metálica à frente da turbina
denominada cubo. O cubo é uma peça constituída em aço ou liga metálica, montado de tal forma
que este apresenta-se como uma peça única e compacta devido à sua necessidade de apresentar
alta resistência mecânica, sendo responsável também por acomodar os mecanismos e motores
para ajuste do ângulo de ataque de todas as pás, conforme a Figura 2.11 (CUSTÓDIO, 2013):
Figura 2.11 – Cubo de um aerogerador.
Fonte: WOHNEN BAUEN ENERGIE (2018).
Já o eixo de uma turbina eólica é responsável pelo acoplamento entre o cubo ao gerador
sendo construído geralmente a partir de aço ou liga metálica de alta resistência.
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24
2.5.2 Transmissão e caixa multiplicadora
O sistema de transmissão, que engloba a caixa multiplicadora (ou Gearbox), possui a
finalidade de transmitir a energia mecânica através do eixo do rotor até o gerador. Ela é
composta por eixos, mancais, engrenagens de transmissão e acoplamentos, conforme pode ser
observado na Figura 2.12 (SILVA, 2008).
O projeto tradicional do sistema de transmissão consiste em adaptar a velocidade de
rotação do rotor (baixa rotação) à velocidade de rotação requeria pelo gerador elétrico (alta
rotação). Contudo, as novas tecnologias desenvolvidas ampliaram as possibilidades no setor
eólico, permitindo o sucesso de aerogeradores sem a caixa multiplicadora (DUTRA, 2008).
Estas características serão discutidas com mais detalhes ao longo desta monografia.
Figura 2.12 – Exemplos de caixas multiplicadores aplicadas em aerogeradores.
Fonte: HANSEN (2015).
2.5.3 Nacele
É a estrutura que se localiza no alto da torre, responsável por alojar todos os
equipamentos da turbina necessários para a conversão eólico-elétrica de energia. Seu tamanho
pode variar de acordo com a disposição de seus componentes internos e se ela possui caixa de
engrenagens (HANSEN, 2015). Na Figura 2.13 é possível observar esta estrutura denominada
nacele.
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25
Figura 2.13 – Nacele e o cubo de um aerogerador.
Fonte: ACCIONA WINDPOWER (2018).
2.5.4 Torre
A maiores aplicações de torres eólicas envolvem torres de metal tubular ou outros
materiais que podem ou não ser sustentadas por cabos tensores. Trata-se de estruturas de grande
porte e elevada contribuição para o custo inicial do projeto, sendo responsáveis por posicionar
o rotor a uma altura conveniente na qual a velocidade do vento é maior e menos perturbada do
que junto ao solo. Sua estrutura deve ser projetada de tal forma que a torre apresente boa
resistência a exposição de condições naturais e suporte cargas significativas ao longo de sua
vida útil (PINTO, 2015). A Figura 2.14 traz um exemplo de uma torre eólica.
Figura 2.14 – Torre eólica.
Fonte: ACCIONA WINDPOWER (2018).
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No topo da torre é montado um rolamento conhecido como rolamento principal (Yaw
system, ver Figura 2.8) que possibilita o movimento da nacele, e consequentemente da turbina,
de forma a permitir o alinhamento dessa com o vento (CUSTÓDIO, 2013).
2.5.5 Gerador
Gerador é o equipamento responsável pela transformação da energia mecânica de
rotação proveniente do eixo do rotor, em energia elétrica. Sua escolha depende de alguns fatores
como (SILVA, 2008):
Variações na velocidade do vento;
Variações do torque de entrada;
Exigência de tensão e frequência constante a ser entregue à rede elétrica;
Facilidade de instalação, operação e manutenção devido por exemplo as dificuldades
geográficas de instalação e a necessidade de confiabilidade do sistema.
Atualmente existem várias alternativas para solucionar estes fatores e especificamente
se tratando do gerador, este será muito mais detalhado nos próximos capítulos desta
monografia. Para apenas exemplificar a variedade de modelos de geradores em aplicações
eólicas, observe a Figura 2.15:
Figura 2.15 – Esquema simplificado dos modelos de aerogeradores usados atualmente.
Fonte: Elaboração própria.
Além disso, para complementar tudo o que foi explicado até o presente momento,
observe a Figura 2.16 que ilustra algumas das possíveis configurações e os componentes de
aerogeradores que foram discutidos anteriormente:
Velocidade Variável
Acionamento Direto Com caixa de multiplicadora
Gerador
Rotor
Síncrono
(grande quantidade de pólos)
Bobinado Ímã
Permanente
Assíncrono
(pequena quantidade de pólos)
Gaiola de
Esquilo Bobinado
GSRB GSIP GIGE GIDA Sigla
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Figura 2.16 – Configurações de Aerogeradores.
Fonte: DUTRA (2008).
2.6 Mecanismo de controle
Há basicamente três tipos de mecanismos de controle que envolvem a energia eólica, os
mecanismos de controle mecânico (velocidade, passo e freio), os aerodinâmicos
(posicionamento do rotor) e os eletrônicos (controle de carga) (BURTON et al., 2011).
Especificamente se tratando dos mecanismos aerodinâmicos, os modernos
aerogeradores se utilizam de dois destes mecanismos para limitar a extração de potência à
potência nominal do aerogerador. São conhecidos como controle estol (Stall) e controle de
passo (Pitch) (DUTRA, 2008). Devido à maior flexibilidade de operação provida pelo controle
de passo, este tornou-se uma opção mais recorrente pelos fabricantes.
2.6.1 Controle estol (stall)
O controle estol é um sistema mais simples e passivo que reage à velocidade do vento.
As pás do rotor são fixas em seu ângulo de passo e não podem ser giradas em torno de seu eixo
longitudinal. O princípio deste controle se baseia de tal maneira que para velocidades de ventos
maiores que a nominal o fluxo em torno do perfil da pá do rotor descola da superfície da pá
(estol), conforme ilustra a Figura 2.17. Isto faz com que a ação das forças atuantes nas pás seja
modificada, reduzindo a força de sustentação e aumentando a força de arrasto, atuando de forma
a limitar o aumento da potência do rotor (DUTRA, 2008).
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Figura 2.17 – Fluxo descolado do perfil.
Fonte: DUTRA (2008).
Para que nem sempre ocorra este fenômeno em todas as posições radiais das pás, que
ocasionaria uma redução significativa da potência do rotor, as pás possuem uma certa torção
longitudinal que a leva a um suave desenvolvimento do estol (BURTON et al., 2011).
Turbinas dotadas do controle estol são mais simples dos que as que possuem um controle
de passo, devido a aspectos como (DUTRA, 2008):
A inexistência de um sistema de controle de passo;
Estrutura mais simplificada do cubo e do rotor;
Menor manutenção devido a um número menor de peças móveis.
Mesmo nas variadas aplicações ao redor do mundo, este ainda é um conceito utilizado
em casos no qual se desejam um controle simples de potência que sempre necessita de uma
velocidade constante do rotor. Em contrapartida é uma opção menos eficiente do ponto de vista
energético.
2.6.2 Controle de passo (pitch)
Diferentemente do controle estol, o controle de passo é um controle ativo. Sempre que
a potência nominal do gerador é ultrapassada, devido ao aumento da velocidade do vento, há
uma rotação das pás do rotor em torno do seu eixo longitudinal, isto é, ocorre uma mudança no
ângulo de passo de forma a reduzir o ângulo de ataque e consequentemente a potência extraída
do vento (SILVA, 2008).
Para este sistema de controle, há um monitoramento da potência do gerador com uma
atuação hidráulica nas pás de forma a diminuir a força de sustentação aerodinâmica da pá
podendo modificar o ângulo de passo de 0º a 90º. Sob todas as condições de vento, o fluxo em
torno dos perfis das pás do rotor é bem aderente à superfície (Figura 2.18) resultando em
pequenas forças de arrasto (DUTRA, 2008).
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Figura 2.18 – Fluxo aderente ao perfil.
Fonte: DUTRA (2008).
Como se trata de um controle mais sofisticado e que necessita de um controle de
variação de passo, esta aplicação também apresenta algumas vantagens, dentre elas (DUTRA,
2008):
Permite controle de potência ativa sobre todas as condições de vento;
Massas das pás do rotor menores levam a massas menores dos aerogeradores;
Partida simples do rotor pela mudança do passo aliada ao fato de não necessidade de
fortes freios para paradas de emergência;
Alcançam a potência nominal mesmo sob condições de baixa massa específica do ar
como em grandes altitudes ou altas temperaturas;
Posição de embandeiramento das pás do rotor para cargas pequenas em ventos
extremos.
A Figura 2.19 permite observar a forma típica da curva de potência de um aerogerador
com controle de passo:
Figura 2.19 – Forma típica de uma curva de potência com controle de passo.
Fonte: DUTRA (2008).
2.6.3 Controle estol ativo
Nos últimos anos surgiu um conceito conhecido como “Estol Ativo”. Este conceito
engloba características tanto do controle estol quanto do controle de passo de tal forma que o
princípio se baseia em alterar o eixo das pás (como no Pitch) de forma a provocar o
descolamento do fluxo de ar (como no Stall). A diferença para o controle de Pitch é que no estol
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ativo o ajuste dos ângulos pode variar entre 0º e -6º (SILVA, 2008). Observe na Figura 2.20, a
forma típica da curva de potência de um aerogerador com este tipo de controle (DUTRA, 2008;
BURTON et al., 2011):
Figura 2.20 - Forma típica de uma curva de potência com controle tipo “estol ativo”.
Fonte: DUTRA (2008).
As vantagens da utilização de um controle combinado de duas tecnologias residem na
possibilidade de funcionamento do aerogerador tanto em condições de potência parcial aliada
a pequeníssimas mudanças no ângulo de passo, quanto a precisão na regulagem da entrega de
potência de saída. Seu bom desempenho para ventos mais fortes também é outro fator de
destaque desta tecnologia (BURTON et al., 2011).
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31
Capítulo 3
Princípio de Funcionamento dos Geradores
Dentro do escopo de possibilidades dadas em aplicações eólicas, basicamente os
geradores são divididos e aplicados em dois grupos, os geradores síncronos e os assíncronos, a
escolha do gerador permite identificar diversos fatores importantes que irão definir
características em um sistema de geração eólica. Para isto, o presente capítulo irá esclarecer
melhor, o princípio de funcionamento dos dois principais tipos de geradores que serão
abordados nesta monografia, são eles os geradores síncronos e os geradores assíncronos.
3.1 Grupos de geradores assíncronos
Os geradores assíncronos também são conhecidos como geradores de indução, sendo
este uma máquina elétrica. Toda máquina elétrica é composta por duas partes: o estator (parte
fixa aonde será criado o campo girante) e o rotor (parte móvel que terá uma força eletromotriz
induzida) (HOMRICH, 2013).
O nome “indução”, considerando aqui um caso trifásico por exemplo, trata-se do fato
que o enrolamento do estator, por ser construído com uma defasagem física de 120º entre seus
enrolamentos. Estes são submetidos a uma circulação de corrente alternada também defasada
de 120º no tempo, criarão um campo magnético girante, e que este irá induzir uma força
eletromotriz nos enrolamentos do rotor, que por sua vez estimulará a circulação de corrente no
rotor. Sabe-se que a circulação de corrente em um condutor sujeito a um campo magnético
alternado produz um conjugado de força, fazendo com que o rotor gire (HOMRICH, 2013).
A velocidade de rotação do campo magnético girante do estator, é conhecida como
velocidade de sincronismo ou síncrona. Esta por sua vez depende do número de pólos da
máquina e da frequência elétrica da rede, de acordo com a seguinte Equação (3.1):
𝑛𝑠 =120 ∙ 𝑓
𝑝 (3.1)
Onde:
f = frequência elétrica [Hz].
ns = velocidade síncrona [rpm].
p = número de polos da máquina.
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32
Dessa forma, têm-se duas velocidades de rotação, uma do campo girante e outra do
rotor, se as duas velocidades se igualarem, o conjugado de força que faz com que o rotor gire
será anulado. Essa diferença entre as velocidades de rotação do campo girante e do rotor é
conhecida como escorregamento, de forma que o ele respeite a seguinte Equação (3.2) (BIM,
2017):
𝑠 =𝑛𝑠 − 𝑛
𝑛𝑠 (3.2)
Onde:
s = escorregamento [%].
n = velocidade angular do rotor [rpm].
O escorregamento estabelecido entre o rotor e o estator da máquina irá definir se a
máquina funcionará como motor ou gerador. Caso a velocidade de rotação do rotor seja maior
do que a velocidade de sincronismo, a máquina elétrica atuará como um gerador.
Basicamente então, para ter uma máquina assíncrona atuando como gerador de indução,
necessita-se que exista o campo girante do estator e de uma rotação mecânica estabelecida
dentro de uma determinada faixa (segundo a literatura, esta faixa está em torno de 1 a 5% acima
da velocidade síncrona) (BIM, 2017). Observe a Figura 3.1 que melhor ilustra essa diferença
entre os modos de operação da máquina de indução, ressaltando a faixa permitida de variação
da velocidade da turbina, na curva de conjugado por velocidade angular:
Para melhor entendimento da Figura 3.1, têm-se que:
sNger = escorregamento nominal no modo gerador [%].
nNger = velocidade angular nominal no modo gerador [rpm].
CNger = conjugado nominal no modo gerador [N.m].
CNmot = conjugado nominal no modo motor [N.m].
C = conjugado mecânico [N.m].
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33
Figura 3.1 – Modos de operação da máquina de indução.
Fonte: Adaptado de WILKE e LORA (2017).
Entretanto, uma das condições necessárias para que o gerador de indução promova a
conversão de energia mecânica em energia elétrica, é a presença de um magnetismo residual
em seu rotor. Para gerar este magnetismo residual, é necessário o fornecimento de energia
reativa à máquina, seja através da rede elétrica (sistema interligado à rede) ou por meio de
capacitores (sistema isolado).
Para a operação interligada à rede, como a frequência e a tensão é estabelecida pelo
sistema, o controle do sistema é mais simples. Note que diferentemente de uma máquina
síncrona, o gerador de indução não precisa estar em sincronia de tensão, frequência e fase com
a rede para estabelecer uma conexão. Isto se deve, pois ao fazer com que o GI atinja a
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34
velocidade síncrona, não haverá movimento relativo entre o campo girante e o rotor, permitindo
que a máquina seja conectada sem picos de corrente.
Segundo Homrich (2013), através de uma análise teórica e experimental, chegou-se à
conclusão que mesmo com as exigências técnicas de controle simples no caso da operação
interligada, torna-se muito difícil atender a todos os requisitos de qualidade de energia sem o
auxílio do banco de capacitores. O acréscimo de velocidade sobressíncrona imposta pela
máquina primária é proporcional à corrente, sendo limitada por uma velocidade máxima para
que a corrente não destrua o gerador de indução.
Já no caso da operação isolada, o sistema de controle deve manter tensão e frequência
em níveis aceitáveis, independentemente de variações durante o acionamento mecânico da
máquina ou da carga do sistema. Tendo em vista os avanços da eletrônica de potência, já foram
solucionados vários desses inconvenientes da operação isolada. Este modo de operação acarreta
certas peculiaridades como a necessidade de auto excitação, pois não existe corrente de
magnetização disponível nos enrolamentos do estator para produzir o campo magnético, e nem
os bancos de capacitores instalados serão capazes de fornecer potência reativa sem estarem
inicialmente carregados (HOMRICH, 2013).
Um gerador assíncrono é uma máquina mais robusta e simples do que um gerador
síncrono, possui algumas vantagens, dentre elas:
Independência de sincronismo entre a velocidade do rotor e a velocidade da frequência
elétrica da rede facilitando no processo de conexão com a rede;
Devido ao desenvolvimento da eletrônica de potência, surgiram soluções de baixo custo
para efetuar o controle de todas as grandezas elétricas para os geradores de indução,
quando aplicados em geração isolada de micro e mini geração. Isto acarreta uma
vantagem competitiva para esses tipos de geradores quando comparados com os
síncronos (HOMRICH, 2013).
Além disso, este tipo de gerador também possui algumas desvantagens, sendo algumas
delas:
A necessidade da velocidade de rotação do rotor ser maior do que a da frequência de
sincronismo;
A necessidade de absorção de energia reativa da rede para controlar a tensão e a
frequência desejada (note que quanto maior a absorção de reativo, pior será o
rendimento do gerador, e menor será a capacidade de fornecimento de potência ativa
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
35
para uma carga). Isso pode ser contornado com a utilização de bancos de capacitores
para sistemas de menor potência (HOMRICH, 2013);
O consumo de potência reativa durante a operação da máquina assíncrona no modo
gerador é maior, para uma menor excursão de potência ativa do que a requisitada
durante a operação como motor, devido ao fato da potência aparente ser limitada para
não causar sobreaquecimento da máquina. Este fato faz com que o fator de potência
visto pela rede de uma máquina de indução operando como gerador é menor do que
operando como motor, aumentando os custos para a correção do fator de potência
(ocasionando também maiores perdas ao sistema). Basicamente o baixo fator de
potência pode ser justificado por efeitos de saturação magnética (HOMRICH, 2013).
A seguir, serão apresentados brevemente os dois principais tipos de geradores
assíncronos, suas principais diferenças são devido à constituição física de seus rotores.
3.1.1 Gerador assíncrono com rotor bobinado
O rotor bobinado nada mais é do que um rotor com enrolamentos de bobinas feitas
geralmente em cobre. O enrolamento é semelhante ao presente no estator, sendo que este no
caso deve possuir terminais para a conexão à anéis coletores e escovas, os quais podem ser
acessados externamente. Comparado ao rotor em gaiola de esquilo, trata-se de um rotor mais
caro e menos robusto, tornando-o uma escolha mais rara, porém pode ser requerida quando se
desejar um conjugado mais elevado na partida (LANGSDORF, 2001).
Dentre os modos de operação citados anteriormente, de maneira geral, para o rotor
bobinado, o modo mais utilizado é conectado à rede com a presença de um conversor de
frequência estático para alimentar o circuito do rotor com uma frequência ajustável,
possibilitando a operação com elevados níveis de escorregamento (+30% e -30%).
3.1.2 Gerador assíncrono com rotor gaiola de esquilo
O rotor em gaiola de esquilo é constituído por barras de alumínio curto-circuitadas por
anéis em suas extremidades e preenchidas por pacotes de chapas metálicas. Este tipo de rotor
não permite nenhum tipo de conexão com um circuito externo sendo também que sua gaiola
não possui isolação entre as barras e os pacotes de chapas. Parte das funções dos anéis é
promover a rigidez mecânica da peça. O posicionamento das barras de alumínio é
estrategicamente projetado, visto com que ao se adicionar uma leve inclinação em seu
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
36
posicionamento, a curva de conjugado poderá ser modificada, reduzindo a vibração do rotor e
melhorando o desempenho do equipamento (LANGSDORF, 2001).
Para o rotor em gaiola, ele geralmente é aplicado para situações de pequena potência,
sendo que a tensão e a frequência variam conforme a carga, não possuindo possibilidades de
ajuste.
3.2 Grupo de geradores síncronos
Dentre o grupo de geradores conhecidos como síncronos, basicamente são divididos em
dois subgrupos, os de imãs permanentes e os de rotor bobinado, ambos são características
relacionadas à parte móvel do gerador (HOMRICH, 2013; GASPAR, 2014).
A diferença entre a máquina assíncrona e a síncrona, reside construtivamente no rotor e
na excitação. Na máquina síncrona de rotor bobinado por exemplo, o rotor possui bobinas
alimentadas com corrente contínua (criando assim um eletroímã), enquanto que na assíncrona
a excitação era alternada e fornecida no estator. Estas bobinas do rotor (conhecido como
enrolamento de campo) produzirão um fluxo magnético constante que gira no espaço devido
ao movimento da máquina motriz. É interessante perceber que ao invés de se utilizar um rotor
com bobinas e fios para se criar um eletroímã, poderia ser utilizado imãs permanentes, que
também produziriam um fluxo magnético constante e natural, constituindo assim um outro tipo
de rotor de máquina síncrona.
Sendo o estator da máquina, constituído de enrolamentos de bobinas que podem ser
trifásicas ou monofásicas, sujeito a um campo magnético variante devido a rotação, será
induzida uma força eletromotriz no estator (segundo a lei de Faraday), que irá acarretar a
circulação de corrente no estator quando a máquina estiver sujeita a uma carga.
A corrente de armadura (corrente que circula no estator quando a máquina for conectada
a uma carga), criará no entreferro uma onda de fluxo magnético que gira na velocidade síncrona.
Esse fluxo da armadura irá reagir com o fluxo criado pela corrente de campo (rotor) de tal forma
que eles tentarão se alinharem entre si, resultando em um conjugado eletromecânico. Para a
operação da máquina síncrona no modo gerador, esse conjugado proveniente da atuação dos
fluxos irá se opor à rotação do rotor, sendo necessária a aplicação de um conjugado mecânico
da máquina motriz para que a rotação seja mantida (no caso a força dos ventos), e haja a
conversão de energia mecânica em elétrica.
É de extrema importância que a velocidade do rotor seja mantida na velocidade síncrona,
pois isso garante com que a frequência das tensões e consequentemente das correntes induzidas
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pelo campo magnético girante, apresentem uma frequência constante, sendo esta igual à da rede
elétrica do sistema. De forma sucinta, há uma relação de proporcionalidade entre a frequência
elétrica e à velocidade angular do rotor, tal relação é expressa pela Equação (3.1) conforme
discutido anteriormente.
Note que a Equação (3.1), além de relacionar a velocidade do rotor com a frequência da
tensão de saída da máquina, estabelece uma relação com o número de pólos da máquina. Ou
seja, quanto maior o número de pólos, dada uma frequência de 60 Hz, menor deverá ser a
velocidade do rotor em regime permanente. Tal relação estabelece duas novas categorias de
rotores bobinados, são conhecidos como pólos salientes e pólos lisos (HOMRICH, 2013).
Os rotores de pólos salientes necessitam de um estator de grande circunferência com
condutores de pequeno comprimento axial, visto que usualmente apresentam uma grande
quantidade de pólos para compensar a baixa rotação. O nome “saliente” se deve ao fato da
presença de descontinuidades no entreferro ao longo da periferia do núcleo de ferro formando
as chamadas regiões interpolares.
Já os rotores de pólos lisos possuem ranhuras e apresentam a característica oposta ao
saliente, ou seja, são rotores de alta rotação devido a sua baixa quantidade de pólos,
apresentando assim uma pequena circunferência estatórica com condutores de grande
comprimento axial. O nome “liso” é devido ao fato do rotor ser constante ao longo de toda a
periferia do núcleo de ferro (GASPAR, 2014).
É interessante destacar que há desvantagens na escolha de qual rotor se utilizar quando
se compara entre um rotor bobinado e um de ímã permanente, por exemplo no caso deste último
não permite um controle de potência reativa e nem do fluxo de excitação. Em compensação,
pode-se listar como suas vantagens:
Ausência de sistemas de excitação e comutação, reduzindo a necessidade de
manutenção;
Apresenta menores perdas por efeito Joule pelo fato de não apresentar correntes e
condutores no rotor;
Ser uma máquina mais robusta e compacta em relação a uma máquina de mesma
potência de rotor bobinado (GASPAR, 2014).
Diferentemente dos geradores assíncronos, os síncronos devem ter um cuidado especial
ao serem conectados à rede da concessionária, devido as condições de sincronização que devem
ser atendidas, sendo estas (BIM, 2017):
As tensões da rede e do gerador sejam iguais em amplitude e ângulo de fase;
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A frequência das tensões da rede e do gerador sejam iguais;
A ordem de sequência das fases nos pontos da conexão seja a mesma.
Caso estas condições não sejam atendidas, não será possível estabelecer a conexão com
a rede elétrica. É interessante mencionar, que estas condições se aplicam também a condição
de estabelecimento de paralelismo entre geradores, tendo em vista que em determinadas
aplicações, é mais vantajoso a subdivisão de um sistema gerador de grande porte em vários
subsistemas menores. Esta subdivisão acarreta a necessidade de se colocar geradores em
paralelo, aumentando a confiabilidade do sistema.
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Capítulo 4
4. Tecnologias de Geradores Aplicadas à Energia Eólica
Até o presente momento a monografia apenas fez a ambientação do tema desta
monografia, apresentando o que é a energia eólica, os componentes de um sistema eólico e o
princípio de funcionamento de um de seus principais componentes. Tendo isto em vista, este
capítulo visa discutir mais detalhadamente as características qualitativas que envolvem as
tecnologias de quatro tipos de geradores aplicados à eólica, são eles: GIGE, GIDA, GSRB e
GSIP.
4.1 Gerador de indução com rotor gaiola de esquilo (GIGE)
O gerador de indução com rotor em gaiola de esquilo é a configuração mais simples e
com o menor custo do mercado, sendo também um equipamento robusto, motivo pelo qual
tornou-se um gerador massivamente utilizado no início da exploração de sistemas eólicos
(AHLSTRÖM, 2002). Este gerador possui duas formas de se conectar ao sistema elétrico
(ROSAS; ESTANQUEIRO; DE LEMOS PERREIRA, 2003):
Conexão direta;
Conexão através de conversores eletrônicos de potência.
Para a conexão direta, o gerador atua com velocidade fixa e frequência constante sendo
conectado diretamente à rede elétrica, sem a necessidade de um conversor CA/CC/CA, não
havendo a injeção de componentes harmônicos de corrente na rede (ROSAS; ESTANQUEIRO;
DE LEMOS PERREIRA, 2003). Para esta configuração o GIGE permite uma pequena variação
de velocidade de acordo com seu princípio de funcionamento, tornando o grupo um pouco mais
flexível quando comparado com a aplicação de velocidade fixa utilizando um gerador síncrono
de imãs permanentes (gerador síncrono com excitação permanente) (RÜNCOS et al., 2000).
Além disso, o gerador opera com uma velocidade de rotação acima da velocidade de
rotação da turbina, exigindo a presença de uma caixa multiplicadora de velocidades. Observe a
Figura 4.1 que esquematiza a ligação do GIGE com o sistema, sem a presença de um conversor:
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Figura 4.1 - Sistema de Geração Eólica com GIGE.
Fonte: Adaptado de MULLER et al. (2002).
O significativo consumo de potência reativa requerida pelo GIGE tornou-se um dos
principais pontos negativos dos parques eólicos convencionais, principalmente após a
ocorrências de faltas no sistema. Mesmo com a tentativa de minimizar essa necessidade de
potência reativa através de bancos de capacitores, o maior fornecedor desta potência após a
eliminação de um curto-circuito é a rede elétrica (ALMEIDA, 2006). Além do fato que quanto
maior o consumo de reativos, pior será o fator de potência, reduzindo a eficiência total do
sistema em entregar uma potência ativa requerida pela carga. Isto pode ser um fator limitante
para a capacidade do sistema em suprimir essa demanda preservando os níveis mínimos de
tensão requeridos pela rede (SILVA, 2008).
Já para a conexão do GIGE através de conversores eletrônicos de potência (conectado
no estator), as dinâmicas da turbina eólicas são “separadas” da rede devido à presença do
conversor, que no caso pode ser tanto CA/CC/CA quanto CA/CA. Este fator permite que o
gerador atue com velocidade variável, aumentando a flexibilidade na regulação da velocidade.
Em contrapartida, a utilização do uso de conversores pode inserir componentes harmônicos na
corrente (RÜNCOS et al., 2000; ROSAS; ESTANQUEIRO; DE LEMOS PERREIRA, 2003).
A demanda por reativos no caso da conexão através de um conversor, pode ser suprida
pelo conversor, eliminando a necessidade de um banco de capacitores. Entretanto, o conversor
acarreta impacto significativo no custo, devido à necessidade de ser um conversor proporcional
à toda a potência do grupo eólico-elétrico, conhecido como full scale converter (diferentemente
do conversor utilizado em geradores de indução duplamente alimentados que são aplicados
apenas à dimensão de potência do rotor) (RÜNCOS et al., 2000).
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41
Levando em consideração que houve uma necessidade de aprimorar as tecnologias
aplicadas à aerogeradores se tratando de um controle mais sofisticado que permitisse a entrega
de potência ativa e reativa de maneira a favorecer a estabilidade do sistema, outras tecnologias
começaram a se destacar. Neste cenário, começaram a ter maior notoriedade dois geradores, o
gerador de indução duplamente alimentado, e o gerador síncrono de ímãs permanentes, suas
características peculiares serão abordadas mais adiante (SILVA, 2008).
4.2 Gerador de indução duplamente alimentado (GIDA)
Tendo em vista a necessidade de se melhorar o controle de velocidade de rotação da
máquina de indução, o gerador de indução duplamente alimentado trouxe inovações quanto a
tecnologia anterior do GIGE. Antes da eletrônica de potência, o controle de velocidade do rotor
era feito através da variação da resistência rotórica, porém, com a possibilidade de conexão de
um sistema conversor CA/CC/CA não mais no estator como era no GIGE, mas sim no rotor,
tornou-se possível incorporar um sistema de recuperação da energia de escorregamento capaz
de enviá-la para a rede e ainda controlar a velocidade do rotor (CASTRO, 2008).
Este sistema de controle permite alternar o trânsito de potência ativa no rotor de acordo
com o ponto ótimo de funcionamento do gerador. Este ponto é caracterizado pela atuação
sincronizada do conversor no rotor aliado com o controle de passo do ângulo das pás da turbina
de forma a maximizar o coeficiente de potência da turbina. A excursão de potência em torno
desse ponto resulta na divisão de três possibilidades para a característica potência x velocidade
de rotação do GIDA (SILVA, 2008):
A primeira consiste em uma operação sobressíncrona na qual o rotor gira com
velocidade acima da velocidade de sincronismo, fazendo com que o rotor e o estator
forneçam potência ativa à rede;
A segunda é quando a velocidade do rotor é próxima a velocidade de sincronismo,
anulando o trânsito de potência ativa entre o rotor e à rede;
E a terceira é justamente a operação subsíncrona na qual o rotor gira com velocidade
menor do que a de sincronismo, na qual a potência ativa é fornecida ao rotor.
Resumidamente, dependendo da velocidade de operação do gerador, há um equilíbrio
do fluxo de potência ativa do rotor e do estator, de tal forma a resultar um fluxo total de potência
ativa fornecida à rede elétrica dependente do ponto ótimo de extração de potência da turbina
eólica (ALMEIDA, 2006). Esta velocidade de operação para um GIDA pode variar em média
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42
de ±30% em torno da rotação síncrona (RÜNCOS et al., 2000), sendo uma solução para
aplicações eólicas utilizada em regiões onde a velocidade dos ventos é bastante variável.
Como já discutido nesta monografia (SILVA, 2008), pelo fato de ser um tipo de gerador
que opera com rotação acima da velocidade dos ventos, necessita de uma caixa multiplicadora.
Dessa forma, deve-se considerar que a presença da caixa irá aumentar os níveis de ruído,
acarretar manutenções, ocasionar maiores perdas associadas na transmissão da rotação e
aumentar o peso total da estrutura eólica.
Como afirmado anteriormente, o rotor de um GIDA é conectado à rede através de um
sistema de conversão CA/CC/CA, enquanto que o estator é conectado diretamente à rede
elétrica. Para o estator, a conexão direta se traduz em vantagem devido à ausência de injeção
de componentes harmônicos na rede e consequente inexistência de filtros harmônicos
(RÜNCOS et al., 2000), entretanto o estator está sujeito a distúrbios da rede (BAROUDI;
DINAVAHI; KNIGHT, 2007). A conexão comentada é ilustrada na Figura 4.2:
Figura 4.2 - Sistema de geração eólica com GIDA.
Fonte: Adaptado de MULLER et al. (2002).
Para proteger o estator contra sobretensões em casos quando acontece uma falta no
sistema, existe o Crowbar que é um circuito de proteção colocado no rotor. Além disso, também
é conectado ao rotor o conversor, geralmente equipado com pontes conversoras de seis pulsos
compostas por transistores bipolares de porta isolada (IGBT’s) e com um sistema de comando
PWM (modulação por largura de pulso) (SILVA, 2008). Esse tipo de conversor permite
segundo os fabricantes, regular o fator de potência nos terminais da máquina, de forma a
dispensar o uso de banco de capacitores (RÜNCOS et al., 2000). O controle do fator de potência
é resultado da capacidade dos conversores com PWM de estabelecerem uma forma de onda
senoidal com amplitude, frequência e fase ajustáveis de acordo com o desejável.
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
43
O sistema conversor CA/CC/CA é composto por dois conversores. O conversor 1,
conhecido com conversor de gerador, representado na Figura 4.2, está ligado diretamente ao
rotor, operando com um certo grau de flexibilidade de frequência de acordo com a velocidade
do gerador, sendo responsável pelo controle do GIDA capaz de controlar tensões e injetar
correntes no rotor da máquina. Já o conversor 2, conhecido como conversor de rede, localizado
entre à rede e o sistema de conversão, opera de acordo com a frequência da rede, sendo
responsável por controlar o fator de potência no ponto em comum dos circuitos do rotor e do
estator, além de definir a tensão contínua aos terminais sistema de excitação (SOTER e
WEGENER, 2007).
O que tornou notável a aplicação de um gerador de indução duplamente alimentado, foi
a possibilidade de operação em velocidade variável aliada à redução da potência do conversor
(partial scale converter), visto que esta é tipicamente de 25% a 30% da potência nominal do
gerador (BAROUDI; DINAVAHI; KNIGHT, 2007). Sua dimensão reduzida se deve ao fato de
que o conversor é conectado ao circuito rotórico apenas, sendo sua potência dependente
diretamente da faixa de variação de velocidade do rotor (em relação a velocidade síncrona do
gerador) e da potência reativa necessária para magnetizar o gerador (SILVA, 2008; MULLER
et al., 2002). Esta filosofia apresenta uma grande eficiência na transformação eletromecânica
devido ao seu grau de aplicabilidade para uma ampla faixa de velocidade de vento juntamente
com a redução das perdas no conversor (RÜNCOS et al., 2000).
Outra vantagem considerável em um GIDA é o bom desempenho do sistema para baixos
valores de velocidade do vento sendo que através do controle da velocidade do rotor, há a
possibilidade de se maximizar o coeficiente de potência através do controle de tensão fornecido
pelo conversor 1 (AKHMATOV, 2003). Para valores elevados de velocidade do vento, torna-
se mais perceptível o controle através do ângulo de passo das pás da turbina, reduzindo a
necessidade um conversor de maior porte proporcionando menores custos ao projeto (SILVA,
2008). Esta vantagem é algo a se destacar devido ao fato que aplicações onshore podem ser
melhor exploradas com essa tecnologia devido as condições climáticas relacionadas aos ventos
de cada região (MONTEZANO, 2007).
Ao se considerar as diversas vantagens propostas pelo gerador de indução duplamente
alimentado, o que se leva a questionar sua aplicação é principalmente a necessidade da caixa
multiplicadora e a manutenção relacionada as escovas do circuito rotórico bobinado.
Dependendo do local de implantação do parque eólico, principalmente se for um parque de
aplicação offshore, os custos para a manutenção a longo prazo podem ser um fator decisivo na
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44
escolha desta tecnologia. Mesmo assim, o GIDA é largamente utilizado por vários fabricantes,
sendo tentador com custos iniciais baixos, robustez e alta eficiência na conversão de energia
(RÜNCOS, 2000; MULLER et al., 2002; AKHMATOV, 2003).
4.3 Gerador síncrono com rotor bobinado (GSRB)
Outra tecnologia que merece ser destacada nesta monografia, é o gerador síncrono com
rotor bobinado, também conhecida em algumas literaturas como gerador síncrono com
excitação independente ou gerador síncrono convencional. Tecnologia esta que vêm obtendo
um certo destaque em aplicações eólicas principalmente pela possibilidade de eliminação do
multiplicador de velocidades através da construção de um gerador com grande número de pólos,
resultando em uma operação com baixa rotação onde a turbina eólica é conectada diretamente
ao gerador (SILVA, 2008; POLINDER et al., 2005).
Devido a discrepância entre as frequências do rotor, que por sua vez é igual a frequência
do estator devido as características funcionais e construtivas de um gerador síncrono, para esta
tecnologia, também há a necessidade se um sistema de conversão CA/CC/CA que permita a
ligação com a rede elétrica. Isto faz com que o GSRB trabalhe em uma condição de operação
em velocidade variável.
Por se tratar de uma conexão através do estator, o conversor deve ser projetado para a
potência nominal do gerador (full scale converter), sendo responsável também pelo
amortecimento de pequenas flutuações de potência devido a variações e rajadas de vento. Na
Figura 4.3, pode-se perceber o esquemático de ligação de um sistema eólico com um GSRB
(POLINDER et al., 2005):
Figura 4.3 - Sistema de Geração Eólica com GSRB.
Fonte: Adaptado de MULLER et al. (2002).
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45
Por não possuir multiplicador de velocidades, o rotor deverá girar na mesma velocidade
média da turbina, sendo esta em torno de 17 a 36 rpm (CASTRO, 2008), com um número médio
de pólos do rotor por volta de 32 em alguns geradores. Em algumas aplicações o estator é
hexafásico de forma a diversificar as possibilidades de conversão de energia em busca de uma
melhoria na qualidade da energia gerada (ZHANG et al., 2005).
No sistema de conversão, os conversores do gerador podem ser constituídos por ponte
conversora de seis pulsos equipados com tiristores com ângulo de disparo constante. Já nos
conversores de rede, a ponte conversora de seis pulsos pode ser equipada com IGBT’s e com o
sistema de comando PWM, sendo responsáveis pelo controle da injeção de potência ativa,
controle do fator de potência e controle da velocidade de rotação do grupo turbina – gerador,
de forma a promover o melhor ajuste para cada velocidade de vento específica (SILVA, 2008;
CASTRO, 2008).
O sistema de excitação do rotor é responsável pelo fornecimento de corrente contínua
para as bobinas de campo da máquina síncrona. Especificamente durante uma operação em
baixa rotação no rotor, este sistema de excitação pode ser auxiliado por conversores CC/CC
(Chopper) devido as dificuldades de se manter um fornecimento de corrente contínua constante
em um determinado valor para estas situações (CASTRO, 2008).
Ao se avaliar o conceito de uma turbina eólica com GSRB é interessante então perceber
suas peculiaridades positivas e negativas. No caso dos pontos vantajosos, têm-se (SILVA, 2008;
BAROUDI et al., 2007; CASTRO, 2008):
Operação em velocidade variável, obtendo boa performance para baixas velocidades de
vento;
Ausência de uma caixa multiplicadora que acarreta redução de custos, peso total da
estrutura, e perdas mecânicas;
Permite o controle de potências ativa e reativa, sem a necessidade de injeção de potência
reativa na máquina;
Pouco desgaste mecânico devido à baixa rotação da máquina;
Minimização de perturbações de frequência na rede devido à presença do conversor
(tendo em vista que o conversor não é exclusivo do GSRB).
Contudo, mesmo aparentando ser uma excelente escolha para uma aplicação eólica,
deve-se atentar a algumas desvantagens, tais como (SILVA, 2008; ZHANG et al., 2005;
BAROUDI et al., 2007; CASTRO, 2008):
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46
A baixa rotação do motor é fruto de um gerador com grande número de pólos,
acarretando um maior diâmetro do gerador que resultará dificuldades para o transporte
deste equipamento;
Apresenta um custo mais elevado e menor robustez;
Não são muitos fabricantes que aderiram à essa tecnologia, tornando a manutenção
minuciosa um fator determinante no viés econômico;
A sincronização de um GSRB com a rede elétrica é mais delicada e complexa quando
comparado com geradores assíncronos;
A utilização de conversores pode ocasionar injeção de harmônicos na rede, além de
causar um aumento da complexidade para o controle da qualidade de energia
(HOMRICH, 2013).
Há ainda a possibilidade de se utilizar o GSRB através de uma conexão direta à rede
elétrica, sem a presença do conversor eletrônico (RÜNCOS et al., 2000), submetendo o gerador
a uma operação com velocidade fixa, onde há a necessidade de sincronização com a rede e a
impossibilidade de regulação de velocidade do grupo eólico. De maneira semelhante ao GIGE,
este tipo de operação fixa apresenta baixa eficiência, mas ainda assim pode ser uma solução
para algum caso específico e de pequeno porte.
Além desses tipos de geradores elétricos aplicados à geração eólica, será discutido agora
um outro tipo de gerador síncrono, o gerador síncrono de imãs permanentes.
4.4 Gerador síncrono de ímãs permanentes (GSIP)
O GSIP, também conhecido como “Direct Drive Permanent Magnet Synchronous
Generator” em algumas literaturas, possui como diferencial a sua capacidade de gerar com um
alto fator de potência, resultando numa elevada eficiência devido a sua característica de
excitação permanente (SILVA, 2008).
Da mesma forma que no GSRB, o GSIP não possui multiplicador de velocidades,
implicando que o rotor seja de pólos salientes, apresentando uma baixa rotação e um grande
diâmetro. Os diversos benefícios da ausência do multiplicador de velocidades já foram
discutidos nesta monográfica, quando se tratava das tecnologias de geradores abordados
anteriormente (ALMEIDA, 2006).
Como o sistema de excitação é permanente, este tipo de gerador apresenta significativa
redução nas perdas elétricas do rotor, implicando num alto fator de potência e compensando
assim os elevados custos iniciais de investimentos referentes aos ímãs utilizados em um GSIP.
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47
A possibilidade de redução das Perdas Joules no rotor, traz uma significativa vantagem
competitiva para o GSIP em relação aos geradores assíncronos equivalentes, segundo alguns
estudos, a redução das perdas pode chegar em até 25% quando comparadas com um gerador
assíncrono (FERREIRA, 2000). Na medida que o GSIP não necessita de correção de fator de
potência, visto que um ele não demanda injeção de reativos para sua magnetização, esta é outra
vantagem deste tipo de tecnologia frente a um gerador de indução (SILVA, 2008).
A Figura 4.4 ilustra um sistema de geração eólica com GSIP:
Figura 4.4 - Sistema de Geração Eólica com GSIP.
Fonte: Adaptado de MULLER et al. (2002).
Outro ponto interessante, é que devido a uma alta capacidade de fornecer torque em
pequenas velocidades, o GSIP pode facilmente ser acionado em baixas rotações, aliado com o
fato da eliminação do multiplicador de velocidades que reduzirá a dimensão da estrutura
(BAROUDI et al., 2007; HAQUE et al., 2008).
Entretanto, é interessante também elencar algumas desvantagens que devem ser
consideradas durante a escolha de um gerador eólico de ímãs permanentes, por exemplo, a falta
de controle de tensão devido a impossibilidade de se controlar a excitação. Este problema é um
caso já estudado, no qual foram apresentadas algumas possíveis soluções, desde a variação da
espessura do entreferro, até o reposicionamento dos ímãs, porém ainda assim não é algo
solucionado (SILVA, 2008; HAQUE et al., 2008).
Outra desvantagem é que materiais magnéticos são sensíveis à temperatura, podendo o
ímã se desmagnetizar quando sujeito a altas temperaturas ou sobrecargas ou curtos-circuitos.
Para evitar que isso aconteça, a temperatura do rotor deve ser supervisionada e possuir algum
tipo de sistema de resfriamento (SILVA, 2008; HAQUE et al., 2008). Além disso, os custos
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48
iniciais de aquisição dos ímãs permanentes restringem uma produção em larga escala desse tipo
de gerador.
Por fim, o GSIP são geradores de maior diâmetro, semelhante ao GSRB, possuem
conversores dimensionados com a potência nominal do conjunto turbina/gerador (full scale
converter), e que permitem a conexão com a rede, isso acarreta problemas na qualidade de
energia, embora permita a operação em velocidade variável. Além de que o sistema de controle
do conversor pode se aliar com o controle do ângulo das pás, maximizando a extração de
potência elétrica.
4.5 Comparativo das tecnologias
Para melhor entendimento do Capítulo 4, foi elaborada a Tabela 4.1, que apresenta um
resumo contendo as características qualitativas de cada tecnologia discutida anteriormente:
Tabela 4.1 – Vantagens e desvantagens qualitativas para cada tipo de gerador abordado.
Gerador Vantagens Desvantagens
GIGE
Baixo custo de capital para a construção do
gerador
O custo elevado do conversor tendo em
vista que seu dimensionamento depende da
potência nominal do conjunto
turbina/gerador
É uma máquina robusta e de design simples Maiores perdas através do conversor devido
ao grande porte do conversor requisitado
Possibilidade de atuação em velocidade
variável
O gerador necessita de potência reativa,
aumentando o custo do estágio inicial de
conversão CA-CC do conversor e reduzindo
a eficiência do sistema
Excelente amortecimento de oscilações de
torque causadas por rajadas de vento
Não possui acionamento direto e necessita
de uma caixa multiplicadora para a conexão
com a turbina eólica intensificando as
manutenções
Problemas de qualidade de energia devido a
presença do conversor
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49
GIDA
Baixo custo do conversor, dimensionado em
média para até 25% da potência do grupo
eólico (partial scale converter)
Problemas de qualidade de energia devido à
presença do conversor
Aperfeiçoamento da eficiência devido à
redução das perdas no conversor eletrônico
de potência
O enrolamento do estator é diretamente
conectado à rede sendo susceptível à
distúrbios da rede
É uma solução para aplicações eólicas onde
a velocidade dos ventos é bastante variável
Aumento do custo devido as manutenções
periódicas dos anéis coletores
Permite absorção de potência reativa direto
do conversor utilizado
Aumento da sensibilidade e da manutenção
em anéis coletores em aplicações offshore
Bom desempenho do sistema para baixos
valores de velocidade de vento
Não possui acionamento direto e necessita
de uma caixa multiplicadora para a conexão
com a turbina eólica intensificando as
manutenções
É um gerador com baixo custo inicial,
robusto e com alta eficiência
GSRB
Pouco desgaste mecânico devido à baixa
rotação da máquina
Geralmente apresenta maiores custos de
manutenção devido ao sistema de excitação
e ao porte do conversor
O acionamento direto é aplicável, reduzindo
os custos devido a não necessidade de uma
caixa multiplicadora
Não são muitos fabricantes que aderiram à
essa tecnologia, tornando a manutenção
minuciosa um fator determinante no viés
econômico
Permite o controle de potência ativa e reativa
pelo fato de ser máquinas auto excitadas que
não necessitam de injeção de potência
reativa
A sincronização de um GRSB com a rede
elétrica é algo mais complexo quando
comparado com geradores assíncronos
Operação em velocidade variável, obtendo
boa performance para baixas velocidades de
vento
A utilização de conversores pode ocasionar
injeção de harmônicos na rede, além de
causar um aumento da complexidade para o
controle da qualidade de energia
Excelente amortecimento de oscilações de
torque causadas por rajadas de vento
Apresenta custo mais elevado e menor
robustez
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50
GSIP
A flexibilidade no design permite estruturas
menores e mais leves
Grande custo de investimento devido ao
elevado preço dos imãs utilizados
Baixo custo de manutenção e de operação,
com maior durabilidade
Os custos dos imãs permanentes restringem
a produção em larga escala para a conexão
com a rede
Sem perdas significativas geradas no rotor,
apresentando assim um alto fator de potência
Altas temperaturas, sobrecargas e curto-
circuitos podem desmagnetizar o ímã
permanente
A velocidade do gerador pode ser regulada
sem a necessidade de uma caixa
multiplicadora
Problemas de qualidade de energia devido à
presença do conversor
Grande capacidade de torque pode ser
atingida em pequenas velocidades
O custo elevado do conversor tendo em vista
que seu dimensionamento depende da
potência nominal do conjunto
turbina/gerador
Não necessita de injeção de reativos para sua
magnetização, não necessitando assim de
correção do fator de potência
A ausência de um sistema de excitação traz
dificuldades para o controle de tensão
Fonte: Elaboração própria.
De forma a quantificar os aspectos positivos e negativos de um gerador aplicado à
geração eólica, e complementar a Tabela 4.1, foi elaborada a Tabela 4.2, esta por sua vez
apresenta também, aspectos sobre faixa de potência e classe de ventos de aplicações eólicas.
Para a elaboração da Tabela 4.2, foi necessário realizar uma pesquisa sobre quais
principais fabricantes de turbinas eólicas do mundo, especificamente neste estudo foram
incluídos os fabricantes a seguir:
Acciona (Espanha) (ACCIONA WINDPOWER, 2018);
GE (EUA) (GE RENEWABLE ENERGY, 2018);
IMPSA (Argentina) (IMPSA, 2018);
Vestas (Dinamarca) (VESTAS, 2018);
Alstom (França) (ALSTOM, 2018);
Suzlon (Índia) (SUZLON, 2018);
Siemens Gamesa (Alemanha e Espanha) (SIEMENS GAMESA, 2018);
Wobben Windpower (subsidiária da Enercon – Alemanha) (WOBBEN WINDPOWER,
2018).
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51
Tabela 4.2 – Resumo das características importantes de cada gerador.
Geradores GIGE
(IG)
GIDA
(DFIG)
GSRB
(SG)
GSIP
(PMSG)
Custos
Manutenção Baixo Alto Alto Médio
Gerador Baixo Médio Alto Alto
Conversor Médio Baixo Alto Médio
Faixa de Potência MW 0,6 - 2,1 1,5 - 4,2 1,65 - 3 0,8 - 12
Classe de Ventos IEC -
Ia/IIa/IIIa
IS/IIS/IIIS
IIb/IIIb
-
Ia/IIa
Ib/IIb
S
Desgaste de componentes
mecânicos Alto Alto Baixo Baixo
Grau de complexidade Baixo Alto Alto Médio
Perdas Mecânicas Alto Alto Baixo Baixo
Elétricas Médio Baixo Médio Baixo
Robustez Maior Maior Menor Menor
Durabilidade Médio Médio Médio Alto
Eficiência Baixo Alto Médio Alto
Rotação do gerador Alto Alto Baixo Baixo
Quantidade de pólos do gerador Baixo Baixo Alto Alto
Aplicação predominante - Onshore - Offshore
Caixa multiplicadora Sim Sim Não Não
Problemas de qualidade de energia Harmônicos Sim Sim Sim Sim
Sistema de Excitação Não Sim Sim Não
Necessitam de absorver reativos Sim Sim Não Não
Preferência dos fabricantes Não Sim Não Sim
Possibilidade de atuação em
velocidade
Fixa Sim Não Sim Não
Variável Sim Sim Sim Sim
Conversor No Estator Sim Não Sim Sim
No Rotor Não Sim Não Não
Fonte: Elaboração própria.
A classe de vento apresentada na Tabela 4.2 é regulamentada pela IEC 61400 – Parte 1
revisada em 2005, que faz o enquadramento em classes de robustez para definir a qualidade
construtiva dos aerogeradores. Na última revisão, foram propostas três classes em função da
severidade do regime de ventos local. Os parâmetros utilizados para a definição do regime de
ventos são:
A velocidade média anual do vento no local (VMED);
A velocidade de rajada de vento extrema com período de recorrência de 50 anos
(V50anos);
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52
A intensidade de turbulência de vento no local para a gama de velocidades dos 15 m/s
(It15);
Levando estes fatores em consideração, na Tabela 4.3 é possível observar os valores
definidos pela norma:
Tabela 4.3 – Classe de vento segundo a IEC 61400-1.
IEC Classe
de Vento
I
(Vento Forte)
II
(Vento Médio)
III
(Vento Fraco) S
VREF 50 m/s 42,5 m/s 37,5 m/s
Definido pelo
projetista do
aerogerador
VMED 10 m/s 8,5 m/s 7,5 m/s
V50anos 70 m/s 59,5 m/s 52,5 m/s
V1ano 52,5 m/s 44,6 m/s 39,4 m/s
It15
A 16% 16% 16%
B 14% 14% 14%
C 12% 12% 12%
Fonte: Adaptado de IEC 61400-1 (2005).
Onde:
VREF é a velocidade de referência;
V1ano é a velocidade de rajada de vento extrema com período de recorrência de 1 ano;
It15 A é uma categoria com características de alta turbulência;
It15 B é uma categoria com características de média turbulência;
It15 C é uma categoria com características de baixa turbulência.
As primeiras versões da norma traziam uma quarta classe de projeto com velocidade
inferior à classe III, mas a partir da terceira edição publicada em 2005, a quarta classe foi
substituída pela classe S, voltada para condições específicas do vento definidas pelo projetista
do aerogerador quando o regime de ventos do local de instalação não se enquadra em nenhuma
das classes restantes.
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53
5. Capítulo 5
Método de Tomada de Decisão
O presente capítulo tem como objetivo situar conceitos que introduzem o método
conhecido como Analytic Hierarchy Process, de forma a demonstrar sua importância, sua
origem, como é feita a hierarquização do método e exemplificar a aplicação do método para
geradores eólicos ponderando aspectos técnicos e econômicos.
5.1 Aspectos iniciais
O concorrência atual no mercado global cria a expectativa em um profissional da
engenharia que seja capaz de superar o elevado número de obrigações e requisitos a serem
atendidos pela empresa. Ela pressiona o compromisso de decidir assertivamente cada escolha
de cada processo com características distintas sendo que muitas vezes isto não é uma tarefa
simples e objetiva.
A relação entre a autoridade para escolher e a responsabilidade pelos resultados de
cada escolha é algo crítico, e ocupa lugar de grande importância nas empresas. Isso permite um
contínuo aperfeiçoamento do processo decisório, contemplando um dos principais desafios da
engenharia moderna. No âmbito da teoria da decisão, com o intuito de promover decisões de
maneira mais estruturada e formal, surgem estudos que preocupam-se em definir conceitos,
desenvolver e organizar técnicas e difundir métodos de suporte aos processos decisórios
(SANTOS, 2017).
Tendo essa formalização do processo decisório em mente, foi feita uma pesquisa em
busca de se encontrar um método que auxiliasse a tomada de decisão de forma a reduzir os
aspectos subjetivos de uma escolha, optou-se por escolher e melhor entender o método
conhecido como Analytic Hierarchy Process, ou AHP. Trata-se de um método desenvolvido
pelo professor Thomas Lorie Saaty em meados da década de 1970 e publicado em 1980, sendo
aperfeiçoado e ampliado por Zahedi e Vargas nos anos seguintes (SAATY, 1980). O trabalho
do professor Saaty recebeu a tradução em português em 1991 pelo professor Wainer Silva. Foi
um trabalho que rapidamente se disseminou para grande parte das áreas de conhecimento,
ocupando uma posição de destaque dentre os métodos mais aplicados para a resolução de
problemas multicritério.
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54
Um elemento chave que contribuiu para a consolidação do seu uso está na facilidade
de aplicação de sua estrutura e adaptação as particularidades da situação real à linha de
raciocínio. Entretanto, deve-se atentar ao perigo de se basear em dados intangíveis, dificultando
a verificação e aplicando julgamentos subjetivos que reduzem a consistência entre os dados
apresentados ao longo do método, informações estas que serão detalhadas mais adiante nesta
monografia (SADEGHI e AMELI, 2012).
5.2 Aplicabilidade do AHP e benefícios
Saaty explica que a determinação das prioridades dos fatores mais baixos com relação
ao objetivo reduz-se a uma sequência de comparação por pares, com relações de feedback, ou
não, entre os níveis. Essa foi a forma racional encontrada para lidar com os julgamentos.
Através dessas comparações por pares, as prioridades calculadas pelo AHP capturam medidas
subjetivas e objetivas e demonstram a intensidade de domínio de um critério sobre o outro ou
de uma alternativa sobre a outra (SILVA, D. M. R., 2007).
Para o autor, a teoria do método se assemelha ao funcionamento da mente humana, isto
é, diante de um grande número de critérios para ponderar entre diversas alternativas, o cérebro
agrega os elementos em grupos seguindo propriedades comuns. A mente humana realiza esse
agrupamento diversas vezes até que a repetição dessa sistemática atinge o nível máximo do
objetivo dentro do processo decisório.
A questão para se analisar os elementos dessa hierarquia é: como que os fatores
individuais dos níveis mais baixos da hierarquia influenciam no fator máximo do objetivo
geral? Desde que essa ponderação individual não seja a mesma para todos os fatores, é possível
chegar a pesos relativos que definem as prioridades e diferenças entre os critérios da decisão.
Segundo Saaty (1996), a vantagem do método é que, como os valores dos julgamentos
das comparações paritárias são baseados em experiência, intuição e também em dados físicos,
o AHP pode lidar com aspectos qualitativos e quantitativos de um problema de decisão. Pelo
fato de que os participantes que aplicam o método podem fazer julgamentos incertos ou pobres
em algumas comparações, o método de Saaty se utiliza de comparações redundantes para
melhorar a validade destas. O próprio autor já adverte que a tolerância de inconsistência não é
uma limitação, mas um retrato da realidade (SILVA, D. M. R., 2007).
Convém também elencar algumas das aplicações já efetuadas com o auxílio deste
método no meio profissional e acadêmico (SILVA, D. M. R., 2007). Tratando-se no meio
acadêmico, as áreas para aplicações de sucesso incluem por exemplo: a seleção de corpo
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55
docente (GRANDZOL, 2005), prioridades de pesquisa de agricultura internacional (BECKER
e BRAUNSCHWEIG, 2005), medição de eficiência do gerenciamento de atividades de
pesquisa e desenvolvimento em universidades (FENG; LU; BI, 2004). No campo profissional,
as áreas de aplicações de sucesso incluem: decisão estratégica de TI (MURAKAMI e
ALMEIDA, 2003), escolha de operador logístico (SANTANA e PIZZOLATO, 2004),
planejamento de projeto de produto (HUMMEL et al., 2002), avaliação de riscos em projetos
de Enterprise Resource Planning (HUANG et al., 2004), prioridades em sistemas de gestão de
segurança (CHAN et al., 2004) e proposição de um indicador geral (FRANCISCCHINI e
CABEL, 2003).
Dessa forma, é perceptível que a aplicação do AHP visa abranger fatores importantes,
qualitativa e quantitativamente mensuráveis, sejam eles tangíveis ou intangíveis para se
aproximar ao máximo da estrutura de decisão criada pela mente humana.
5.3 Estruturação e hierarquização do método AHP
O método AHP possui uma hierarquia ao longo da metodologia, pautada na divisão de
um problema geral, em avaliações de menor importância. Dessa forma é possível encarar um
problema de maior complexidade, solucionando-o em parte menores, e depois somando as
soluções.
O desafio do método consiste em medir os impactos de cada elemento no arranjo em
geral e na maneira como deve-se estruturar hierarquicamente as funções de um sistema (SILVA,
D. M. R., 2007). De maneira genérica, o método consiste em um processo de hierarquização
seguido de uma priorização que envolve estabelecimento de julgamentos que expressam a
dominância de um elemento sobre outro quando comparados a uma prioridade.
Saaty (1994) ao longo do seu trabalho, fornece sugestões úteis para auxiliar na
elaboração da hierarquia do problema. De forma a melhor entender a proposta do autor, será
elencado alguns pontos que servem de guia para a aplicação do AHP, são eles:
1) Definir qual o problema, identificar os decisores, seus valores e objetivos da maneira
mais clara possível, de forma a evitar desperdício de tempo e recursos durante a
aplicação do método;
2) Definir os critérios relevantes para ponderar a resolução do problema, tendo em mente
sempre os objetivos principais e resultados esperados;
3) Definir as alternativas disponíveis para a resolução do problema em questão, sendo esta
etapa muito dependente da expertise do decisor;
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56
4) Determinar através de uma avaliação qualitativa pelo decisor, o quanto um critério é
mais ou menos decisivo para atingir-se os objetivos estabelecidos, de forma que as
comparações pareadas entre os critérios sejam transformadas em índices numéricos
conforme a Tabela 5.1;
5) Avaliar cada uma das alternativas em relação a cada critério, de forma semelhante a
etapa anterior, porém agora visando escolher o quanto uma alternativa atende, pela ótica
de cada critério, a expectativa de resultado existente (SANTOS, 2017). Esta etapa
costuma ser uma das mais trabalhosas devido à elevada quantidade de comparações;
6) Tendo os dados das duas etapas anteriores coletados através de índices numéricos e
dispostos em matrizes de preferência, agora deve-se realizar uma avaliação global de
cada alternativa. Para essa análise, é necessário calcular o autovalor de maior valor
absoluto e o autovetor associado a ele, representando de forma conceitual e justificável,
a prioridade de cada elemento, seja o peso de um critério ou a avaliação de uma
alternativa (SANTOS, 2017);
7) De forma a conferir a consistência dos dados e julgamentos considerados nas etapas
anteriores, nesta etapa, se analisa a coerência de cada passo com os demais, com o
intuito de encontrar fragilidades na expressão das preferências. Esta é uma etapa
importante, pois sua correta execução minimiza o risco na escolha devido a
comparações equivocadas. É nesta etapa que são calculados os índices e as razões de
consistência, que além de serem comparados com limites aceitáveis, demonstram o
quanto uma escolha pode ser influenciada através de pequenas variações nos
julgamentos e avaliações;
8) Realizar a síntese das etapas anteriores, aglomerando o resultado geral do processo, as
avaliações, propostas, recomendações e riscos. É nesta etapa que o decisor irá aceitar
ou rejeitar a escolha final;
9) Caso na etapa anterior a escolha seja aceita, há a necessidade de se criar um mecanismo
de feedback que permite o contínuo aperfeiçoamento do método para os próximos usos
(SANTOS, 2017).
Assim, após esse maior detalhamento do método, ele pode ser entendido e resumido em
três fases:
Fase de Estruturação na qual o problema é formulado, caracterizado e entendido todo
o cenário e debate inicial;
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57
Fase de Avaliação na qual o problema é fracionado em critérios, avaliações,
ponderações e julgamentos e finalizado com uma síntese do que foi observado;
Fase de Escolha na qual a solução do problema deve ser escolhida;
A seguir, será apresentado com mais detalhes, alguns conceitos que englobam a
fundamentação do AHP.
5.4 Fundamentação conceitual do método AHP
Uma tomada de decisão está diretamente relacionada à avaliação das alternativas que
satisfazem um conjunto de objetivos pretendidos. A chave da questão é escolher a alternativa
que satisfaça o conjunto total de objetivos. Para isso, é necessário estabelecer uma hierarquia
na qual há pesos numéricos que ponderam as alternativas, conhecidos como prioridades, e que
permitem diferenciar a importância de critérios.
Dentro do conceito de prioridade, há o de julgamento, que compreende a representação
numérica de uma relação entre dois elementos que possuem o mesmo pai. Ao se agrupar todos
os julgamentos, forma-se uma matriz quadrada, cada elemento dessa matriz representa a
dominância de um elemento da coluna à esquerda sobre um elemento na linha do topo,
conforme a Figura 5.1 (SAATY, 1994).
Figura 5.1 – Exemplo de uma matriz de comparação.
A B C D
A 1 5 6 7
B 1/5 1 4 6
C 1/6 1/4 1 4
D 1/7 1/6 1/4 1
Fonte: Elaboração própria.
Saaty (1991) sugere uma escala que vai de 1 a 9 para ponderar os julgamentos, sendo
que 1 representa a indiferença de importância na comparação, e 9 significando a extrema
importância de um critério ou uma alternativa quando comparados, conforme Tabela 5.1.
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58
Tabela 5.1 – Comparações entre valores qualitativos e quantitativos do AHP.
Intensidade de
importância Descrição
Explicação
Quantitativo Qualitativo
1 Igualmente preferível
As duas contribuem
igualmente para o
objetivo
2 Entre igualmente e moderadamente preferível Situação intermediária
entre 1 e 3
3 Moderadamente preferível Leve favorecimento
4 Entre moderadamente e fortemente preferível Situação intermediária
entre 3 e 5
5 Fortemente preferível Forte favorecimento
(facilmente reconhecível)
6 Entre fortemente e muito fortemente preferível Situação intermediária
entre 5 e 7
7 Muito fortemente preferível
Muito forte
favorecimento (facilmente
comprovável)
8 Entre muito fortemente e extremamente
preferível
Situação intermediária
entre 7 e 9
9 Extremamente preferível Favorecimento com o
mais alto grau de certeza
Recíprocos dos
valores acima
Relação de reciprocidade (consistência nas
avaliações)
Se o item a recebe grau n
em relação ao item b,
então b deve receber grau
1/n com relação a a
Fonte: Adaptado de SAATY (1991).
O julgamento nada mais é do que a resposta para as seguintes perguntas: qual dos dois
elementos é mais importante com respeito a um critério de nível superior, e com que
intensidade? Essa pergunta reflete em um índice, observe por exemplo o elemento (1ª linha, 2ª
coluna) da Figura 5.1, ele pode ser lido como: A é cinco vezes mais dominante do que B,
apresentando uma importância grande ou essencial conforme a Tabela 5.1. Já o elemento (3ª
linha, 2ª coluna) pode ser lido como: B é quatro vezes mais dominante do que C. Dessa forma
é importante notar que o elemento mais importante da comparação é sempre usado como um
valor inteiro da escala, e o menos importante, como o inverso dessa unidade (SILVA, D. M. R.,
2007).
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59
Através desses julgamentos, são elaboradas dois tipos de matrizes. Primeiramente há
uma matriz de comparação entre os critérios, no qual cada elemento representa a razão entre os
respectivos pesos. Posteriormente há matrizes de comparação entre as alternativas referentes a
cada um dos critérios, de tal forma que é possível entender o quanto uma alternativa atende
melhor ao requisito em questão do que a outra opção. É interessante mencionar que para
comparações entre alternativas quantitativas, essa matriz será constituída por razões entre o
desempenho da alternativa pelo somatório de todos os desempenhos naquele critério.
Essas matrizes de comparação apresentam algumas características que merecem ser
destacadas, tais como (SANTOS, 2017):
As matrizes sempre serão quadradas, sendo que o método engloba dois conjuntos de
matrizes, um possuindo ordem igual ao número de critérios e outro possuindo a ordem
igual ao número de alternativas;
A diagonal principal sempre será composta exclusivamente por elementos unitários por
se tratar de comparações de algo consigo mesmo;
As matrizes serão recíprocas, dessa forma o número de comparações necessárias para
serem efetuadas ao longo do método, será reduzido pela metade, conforme a Figura 5.1;
Todos os elementos da matriz serão positivos, sendo que para a utilização da escala
fundamental de um nono a nove, permite afirmar que as matrizes serão irredutíveis;
Para o caso de julgamentos perfeitamente coerentes, todos os elementos são
combinações lineares dos elementos da primeira linha, porém, em uma aplicação real,
haverá alterações sutis nesses valores.
O método exige o cálculo do autovalor e o autovetor de cada uma das matrizes
construídas. O autovalor considerado no método é o de maior valor absoluto e o autovetor
associado a ele representa de forma conceitualmente justificável a prioridade de cada elemento,
seja este elemento um critério ou uma alternativa. Há uma forma aproximada de se obter uma
estimativa desses valores através de um processo de normalização. Este processo consiste em
realizar a divisão de cada elemento da matriz pelo somatório da coluna em que se encontra,
seguindo do cálculo da média de cada linha (SANTOS, 2017). O vetor obtido nesta etapa
equivale ao vetor que seria obtido pelo método exato porém, no caso aproximado, há uma perda
na precisão do método, reduzindo a confiabilidade do método.
Ao longo da aplicação do método, surge uma realidade a ser enfrentada, na qual na
maioria das situações em uma tomada de decisão é pautada em critérios subjetivos de grande
relevância. Neste cenário, é interessante introduzir o conceito de coerência, que permite avaliar
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60
o quão próximo um conjunto de julgamentos está do estado ideal de forma a conduzir a uma
correta avaliação da situação.
Para isso acontecer, é necessário manter a consistência da matriz, por exemplo: se A é
5 vezes mais dominante do que B, e A é 6 vezes mais dominante do que C, então A=5B e A=6C.
Logo B/C = 6/5 = posição (B,C). Portanto se o julgamento da posição (B,C) for diferente de
6/5, então a matriz é inconsistente (SILVA, D. M. R. , 2007).
Desta comparação entre dominâncias surge então o Índice de Consistência (IC) que nada
mais é do que um valor para expressar a consistência entre os valores dos elementos da matriz
tanto dos critérios quanto das alternativas, que por sua vez apresenta a seguinte equação (5.1):
𝐼𝐶 = Í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝜆𝑚á𝑥 − 𝑛
𝑛 − 1 (5.1)
Onde:
λmáx = autovalor máximo da matriz positiva recíproca.
n = dimensão da matriz.
Da matriz de julgamentos (SILVA, D. M. R., 2007), é possível extrair o autovetor que
origina a ordem de prioridade e o autovalor que é a medida de consistência do julgamento. Para
o AHP, busca-se o autovalor máximo, λmáx, sendo este calculado considerando que A ∙ w = λ ∙
w, mas no caso da análise hierárquica, A ∙ w = λmáx ∙ w. Dessa forma tem-se a equação (5.2):
𝜆𝑚á𝑥 = 𝑚é𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑣𝑒𝑡𝑜𝑟𝐴 ∙ 𝑤
𝑤 (5.2)
Onde:
A = matriz de julgamentos.
w = vetor coluna de prioridades.
Na literatura sobre o assunto, adota-se como regra geral, um índice de consistência
inferior a 0,1 ou 10%, para isso, deve-se reescrever e categorizar novamente os elementos até
que se atinja este valor. O criador do método também sugere o uso de uma outra variável de
confiabilidade conhecida como Razão de Consistência (RC) (SAATY, 1991), que considera IC
e o Índice Randômico (IR), que varia com o tamanho n da amostra. Para o IR, o autor propõe
uma tabela com valores calculados em laboratório da ordem de 1 a 15, conforme a Figura 5.2.
Figura 5.2 – Índice Randômico Médio do AHP.
RI 0,00 0,00 0,58 0,90 1,12 1,24 1,32 1,41 1,45 1,49 1,51 1,48 1,56 1,57 1,59
Ordem 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Fonte: Adaptado de SAATY (1991).
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61
A equação 5.3 demonstra a forma como a variável RC pode ser calculada.
𝑅𝐶 =𝐼𝐶
𝐼𝑅 (5.3)
Onde:
RC = Razão de Consistência ou Consistency Ratio (CR).
IC = Índice de Consistência ou Consistency Index (CI).
IR = Índice Randômico ou Random Index (RI).
A Razão de Consistência é utilizada representar a plenitude da coerência entre os
julgamentos de um conjunto. Conforme vão surgindo contradições, devido à subjetividade, a
base sólida e confiável para uma avaliação global vai tornando-se instável até o ponto de ser
inútil para uma avaliação assertiva.
Ao final do método é realizada uma organização dos dados obtidos que permitem
identificar qual dos critérios é o mais relevante, qual das alternativas atende melhor a cada
critério, e sendo assim correlacionar estas informações de forma a se obter um valor que mostre
uma escala de qual a melhor alternativas para o problema proposto. Esta conclusão que finaliza
o método, será melhor exemplificada no exemplo de aplicação que será abordado
posteriormente nesta monografia.
Com estes conceitos e explicações dados até aqui, é possível sintetizar o esqueleto
básico de aplicação do método da seguinte maneira:
Definir objetivos, critérios e alternativas que buscam a solução de um problema. Além
disso, deve-se estabelecer uma hierarquia que estruture e sistematize o problema;
Tendo a hierarquia definida, buscasse agora elaborar matrizes de comparação entre os
critérios, e matrizes de comparação entre as alternativas com o auxílio da Tabela 5.1, de
forma a ponderar as prioridades dentro da estrutura decisória;
Tendo as matrizes montadas, deve-se encontrar o autovalor máximo e o autovetor
associado a ele para obter-se a ordem de prioridade de cada matriz. Além disso, para
cada matriz deve-se avaliar através dos índices IC e RC qual o grau de consistência entre
os dados dispostos dentro das matrizes, de forma a evitar avaliações errôneas que irão
prejudicar a decisão final;
Por fim, resta apenas analisar as matrizes de maneira que seja possível estabelecer
comparações entre as alternativas dispostas, e selecionar a melhor opção.
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62
5.5 Validação do método segundo a ferramenta computacional utilizada
Esse trabalho, tem como base de aplicação o método AHP, já estruturado e validado de
acordo com o ferramental computacional proposto por Natan dos Santos (SANTOS, 2017), no
qual ele correlaciona o programa desenvolvido por ele no software Matlab, com os valores
calculados e propostos pelo próprio Saaty. De forma e melhor ilustrar os resultados obtidos com
a análise do trabalho proposta pelo Natan, foi elaborado com o auxílio do software Excel, as
matrizes que representam todos os valores calculados pelo programa, apresentando assim uma
gestão visual do problema em questão. Este trabalho teve o intuito de validar mais uma vez, o
excelente trabalho de Saaty (SAATY, 1980), comprovando sua extensa gama de aplicabilidade,
de forma a concretizar uma decisão através da ponderação mais significativa de aspectos
objetivos.
A única diferença do ferramental computacional proposto por Santos (2017) para esta
monografia, consta no fato de que a obtenção dos autovalores e autovetores foi derivado através
do processo de normalização distribuída simples. Mesmo que esta opção encontra-se em
desuso, optou-se pela facilidade em aplicação desta opção no software Excel, tendo em vista
que no trabalho de Santos (2017) foi utilizado o software Matlab, no qual este cálculo é
facilitado pelas funções disponíveis pelo software. Tendo em vista o fundamento didático deste
trabalho acadêmico, sabe-se que esta escolha acarreta pequenas variações em valores
encontrados para as prioridades tanto dos critérios quanto das alternativas.
Comparativamente a outros métodos da mesma área, o método AHP é considerado de
fácil montagem, aplicação e cálculo. É um método que não necessita do tratamento estatístico
dos dados, não envolve cálculos ou processos de grande complexidade, exceto pelo cálculo dos
autovalores e autovetores e reduz a possibilidade de erros devido a sua montagem simples e
linear (SANTOS, 2017).
A escolha da utilização e aplicação do método através do software Excel se deu pois é
um software que possui grande disponibilidade de material de ajuda, a familiaridade com o
programa, e a possibilidade de gerar informações através de uma interface visualmente
agradável ao usuário.
5.6 Aplicação do método AHP para geradores eólicos
Dentre os mais diversos artigos pesquisados para a elaboração desta monografia, foram
encontrados diversos artigos que aplicassem o método AHP. A maioria das aplicações do AHP
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63
encontradas envolviam a escolha do local para se instalar fontes renováveis de energia, ou a
escolha para optar entre qual a melhor fonte de energia renovável ou qual a melhor decisão
entre uma fonte renovável e uma não renovável para um dado país em desenvolvimento. Além
disso, muitas dessas pesquisas envolviam não só aspectos técnicos e econômicos, mas também
aspectos sociais, ambientais e até políticos, como por exemplo:
Benefícios sociais tais como a criação de novos empregos e que com isso fosse
promovido uma maior aceitação dessas fontes na sociedade, trazendo um bem comum
a todos;
Benefícios políticos como promover a redução da dependência de fontes de energia
estrangeiras de forma a também estimular o desenvolvimento da economia nacional;
Benefícios ambientais como a redução do impacto ambiental dessas fontes alternativas
de energia, minimizando as emissões de gases prejudiciais ao meio ambiente além de
fontes que ocupem menores porções de terra, devido a atual extensa valorização
econômica das propriedades próximas ou não de centros urbanos.
Especificamente nesta monografia, optou-se por abordar apenas aspectos técnicos e
econômicos, de forma a ter um foco em como estes aspectos podem impactar na escolha de um
determinado gerador eólico dentre as alternativas disponíveis para se construir uma turbina
eólica.
Seguindo a metodologia já apresentada sobre o método AHP, a primeira etapa realizada
foi a definição do problema que no caso em questão apresenta como objetivo principal a escolha
do melhor gerador eólico segundo alguns critérios que determinam uma das peças-chave da
geração eólica. Tendo isso em mente, foram estabelecidos cinco critérios de ponderação para
se escolher dentre as quatro alternativas disponíveis. São eles:
Classe de Vento: abrange as mais variadas velocidades de vento e níveis de turbulência,
atendendo aos requisitos de instalação de turbina eólica nas mais variadas localidade do
globo;
Custo de Manutenção: abrange os diferentes custos de manutenção de acordo com a
presença de ímãs permanentes, sistemas de excitação do rotor, alta velocidade de
rotação (causando maiores desgastes) e durabilidade do equipamento;
Custo do Gerador: abrange os conceitos relacionados aos aspectos construtivos do
gerador, sendo quais materiais e a estrutura necessária para construir o equipamento, e
qual o valor envolvido neste quesito;
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64
Custo da Eletrônica de Potência: abrange os aspectos econômicos que envolvem o
investimento necessário para se obter o controle da velocidade e potência do gerador,
do sistema de excitação e dos conversores de frequência;
Eficiência: abrange a avaliação quanto as perdas elétricas associadas ao gerador,
correlacionando a este fato, uma economia financeira para geradores com menores
perdas.
Lembrando que conforme já explicado e melhor detalhado no Capítulo 4 desta
monografia, as alternativas são:
GIGE: trata-se de um gerador robusto fisicamente, que não possui grande flexibilidade
para variadas velocidades de vento, possuindo um baixo custo de manutenção associado
a sua robustez. Por se tratar de um equipamento de design simples, não apresenta
elevados custos na construção física do gerador e consequentemente um custo associado
à eletrônica de potência não tão significativo. É um gerador que possui uma relativa
perda elétrica associada, essencialmente pela presença de um conversor eletrônico de
frequência de maior porte;
GIDA: trata-se de um gerador com excelentes características quanto a eficiência do
equipamento, apresentando reduzido porte do conversor de frequência que cria uma
vantagem competitiva, além da grande flexibilidade quanto as possibilidades de vento.
Deve-se considerar também que é um equipamento com um bom custo benefício
associado a sua construção, apresentando um custo de manutenção mais expressivo do
que outros geradores (sendo um desses fatores a alta rotação);
GSRB: trata-se de um gerador com reduzida eficiência elétrica, alto custo envolvendo
sua construção e sua eletrônica de potência, além de que não é uma das melhores opções
no quesito flexibilidade aos diferentes tipos de classe de vento. Porém apresenta
melhores características em relação a manutenção quando comparado com os geradores
de alta rotação, especificamente o GIDA;
GSIP: trata-se de um forte concorrente do gerador duplamente alimentado, possuindo
destaque quando se trata da manutenção, por ser um equipamento de alta durabilidade
e com uma significativa redução das perdas elétricas associadas a sua excitação
permanente. Além disso, é um gerador bem flexível para distintos cenários de
velocidades de vento, embora seja um gerador que necessite de elevado investimento
inicial, apresentando também um custo mais expressivo quando se tratar de eletrônica
de potência.
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65
A partir deste ponto já é possível visualizar a hierarquia estabelecida que guiará a
aplicação do método AHP, conforme a Figura 5.3:
Figura 5.3 – Hierarquia definida pela aplicação do Método.
Fonte: Elaboração própria.
O próximo passo consiste estabelecer o questionamento a respeito da importância
relativa desses critérios, esta etapa é feita através da construção da matriz de comparação entre
os critérios. O decisor classifica a importância de cada critério com o auxílio da Tabela 5.1, e
preenche os elementos da matriz. Segundo a metodologia descrita, é utilizado o método de
normalização para se obter o autovalor máximo e o autovetor associado a ele, de forma a se
apresentar junto com a matriz, o vetor de prioridades e o CR associado a matriz formada.
Observe a Figura 5.4 e a Figura 5.5, na qual representa uma imagem meramente ilustrativa que
demonstra a forma como é calculado os autovalores e autovetores da matriz da Figura 5.4
através do método de normalização:
Figura 5.4 - Matriz de comparação entre os critérios.
Fonte: Elaboração própria.
Critérios Classe de VentoCusto de
Manutenção
Custo do
Gerador
Custo da
Eletrônica de
Potênia
Eficiência CR
33,6% Classe de Vento 1 2 2 2 3
16,5%Custo de
Manutenção 1/2 1 1/2 3 1
28,5% Custo do Gerador 1/2 2 1 4 3
8,6%Custo da Eletrônica
de Potênia 1/2 1/3 1/4 1 1/2
12,8% Eficiência 1/3 1 1/3 2 1
Soma 2,8 6,3 4,1 12,0 8,5
Vetor de
Prioridades
6,4%
Matriz de Comparação de CRITÉRIOS
Qual o melhor gerador eólico
Custo de
Manutenção Custo do
Gerador
Custo da
Eletrônica de
Potência Eficiência Classe de
Vento
GIGE GIDA GSRB GSIP
Objetivo
Critérios
Alternativas
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66
Figura 5.5 – Método de normalização.
Fonte: Elaboração própria.
Deve-se considerar que o vetor prioridades está sendo representado através de valores
percentuais de forma a propiciar um melhor entendimento da representatividade do critério
diante da escolha a ser feita. Da mesma forma, é interessante notar que durante o preenchimento
da tabela, foi utilizada a seguinte pergunta para facilitar a escolha do índice que ponderasse um
julgamento: “Qual critério é o mais importante quando se deseja escolher um gerador eólico?”.
Note também que o CR desta matriz é inferior ao limite de 10%, indicando uma boa coerência
entre os julgamentos escolhidos.
A próxima etapa, a mais trabalhosa, consiste na avaliação parcial das alternativas, de
forma muito semelhante a avaliação dos critérios, apenas diferindo na quantidade e na ordem
das matrizes. Como no caso anterior foi construída uma matriz de ordem seis, agora serão
construídas cinco matrizes de ordem quatro, de modo que seja possível avaliar qual a melhor
alternativa segundo cada critério. Para cada uma das matrizes, foi realizada uma pergunta que
auxiliasse no preenchimento dos julgamentos, são elas:
Classe de Vento: “Qual é a alternativa mais ampla, no caso, a que permite aplicação
para as mais variadas velocidades e turbulências de vento?”;
Custo de Manutenção: “Qual gerador apresenta menor custo de manutenção?”;
Custo do Gerador: “Qual o gerador é o mais barato quando considerado a sua estrutura
física?”;
Custo da Eletrônica de Potência: “Qual gerador possui os menores custos envolvidos
com eletrônica de potência?”;
Eficiência: “Qual gerador é o mais eficiente considerando este o que possui menores
perdas elétricas?”.
Sendo assim, têm-se as seguintes matrizes de comparação para as alternativas, expressas
pelas Figuras: 5.6, 5.7, 5.8, 5.9 e 5.10:
Classe de VentoCusto de
Manutenção
Custo do
Gerador
Custo da
Eletrônica de
Potênia
Eficiência Média
0,4 0,3 0,5 0,2 0,4 33,6%
0,2 0,2 0,1 0,3 0,1 16,5%
0,2 0,3 0,2 0,3 0,4 28,5%
0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 8,6%
0,1 0,2 0,1 0,2 0,1 12,8%
Normalizando
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67
Figura 5.6 - Matriz de comparação de alternativas para a classe de vento.
Fonte: Elaboração própria.
Figura 5.7 - Matriz de comparação de alternativas para o custo de manutenção.
Fonte: Elaboração própria.
Figura 5.8 - Matriz de comparação de alternativas para o custo do gerador.
Fonte: Elaboração própria.
Alternativas GIGE GIDA GSRB GSIP
9,1% GIGE 1 1/5 1 1/5
46,2% GIDA 5 1 3 2
11,7% GSRB 1 1/3 1 1/3
33,0% GSIP 5 1/2 3 1
Soma 12,0 2,0 8,0 3,5
Vetor de
Prioridades
Matriz de Comparação de ALTERNATIVAS
1. Classe de VENTOCR
3,1%
Alternativas GIGE GIDA GSRB GSIP
32,1% GIGE 1 2 2 1
11,5% GIDA 1/2 1 1/2 1/4
18,8% GSRB 1/2 2 1 1/2
37,6% GSIP 1 4 2 1
Soma 3,0 9,0 5,5 2,8
Vetor de
Prioridades
Matriz de Comparação de ALTERNATIVAS
2. Custo de MANUTENÇÃOCR
2,0%
Alternativas GIGE GIDA GSRB GSIP
39,9% GIGE 1 2 3 2
33,9% GIDA 1/2 1 4 3
9,7% GSRB 1/3 1/4 1 1/2
16,5% GSIP 1/2 1/3 2 1
Soma 2,3 3,6 10,0 6,5
Vetor de
Prioridades
Matriz de Comparação de ALTERNATIVAS
3. Custo do GERADORCR
5,1%
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68
Figura 5.9 - Matriz de comparação de alternativas para o custo da eltrônica de potência.
Fonte: Elaboração própria.
Figura 5.10 - Matriz de comparação de alternativas para a eficiência.
Fonte: Elaboração própria.
Note que todas as matrizes atendem ao critério da coerência de seus julgamentos,
conforme o valor de CR calculado.
Para concluir a aplicação do método, foi realizada a síntese de todas as etapas anteriores.
O resultado global de cada alternativa é composto pelas avaliações parciais em cada critério
ponderadas pelos respectivos pesos. Ao reunir todas essas informações, foi obtida a Figura 5.11:
Alternativas GIGE GIDA GSRB GSIP
20,1% GIGE 1 1/3 3 1
51,9% GIDA 3 1 5 3
7,9% GSRB 1/3 1/5 1 1/3
20,1% GSIP 1 1/3 3 1
Soma 5,3 1,9 12,0 5,3
Vetor de
Prioridades
Matriz de Comparação de ALTERNATIVAS
4. Custo da ELETRÔNICA DE POTÊNCIACR
1,5%
Alternativas GIGE GIDA GSRB GSIP
6,9% GIGE 1 1/5 1/3 1/5
36,0% GIDA 5 1 2 1
17,2% GSRB 3 1/2 1 1/3
39,9% GSIP 5 1 3 1
Soma 14,0 2,7 6,3 2,5
Vetor de
Prioridades
Matriz de Comparação de ALTERNATIVAS
5. EFICIÊNCIACR
1,1%
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
69
Figura 5.11 – Matriz final de decisão.
Fonte: Elaboração própria.
De maneira a explicar como foi obtido o vetor Ranking Global na Figura 5.11, observe
por exemplo o valor de 36,2% calculado para a alternativa de gerador duplamente alimentado
(GIDA). Para isso, é necessário realizar a multiplicação do vetor de pesos, pela linha de cada
alternativa, ou seja 33,6% ∙ 46,2% + 16,5% ∙ 11,5% + 28,5% ∙ 33,9% + 8,6% ∙
51,9% + 12,8% ∙ 36% = 36,2 %, de maneira semelhante, foram encontrados todos os
outros valores representados no vetor Ranking Global.
Para auxiliar a interpretação da tabela expressa pela Figura 5.11, também foram
elaborados gráficos que estão representados nas Figuras 5.12 e 5.13:
Figura 5.12 – Gráfico da distribuição das preferências em relação a cada critério.
Fonte: Elaboração própria.
Potência AplicaçãoClasse de
Vento
Custo de
Manutenção
Custo do
Gerador
Custo da
Eletrônica
de Potênia
Eficiência
Decisivo Sugestão 33,6% 16,5% 28,5% 8,6% 12,8%
GIGE 0,6 - 2,1 - 9,1% 32,1% 39,9% 20,1% 6,9% 22,3%
GIDA 1,5 - 4,2 Onshore 46,2% 11,5% 33,9% 51,9% 36,0% 36,2%
GSRB 1,65 - 3 - 11,7% 18,8% 9,7% 7,9% 17,2% 12,7%
GSIP 0,8 - 12 Offshore 33,0% 37,6% 16,5% 20,1% 39,9% 28,8%
Alt
ern
ati
va
s
CritériosRanking
Global
Pesos /
Ponderação
33,6%
28,5%
16,5%
12,8%
8,6%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
Classe de Vento Custo Gerador Custo
Manutenção
Eficiência Custo Eletrônica
de Potênia
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
70
Figura 5.13 - Gráfico da distribuição das preferências em relação a cada alternativa.
Fonte: Elaboração própria.
Observe que na Figura 5.11, foi considerada na tabela também duas colunas a mais,
sendo elas: a coluna de Potência e a de Aplicação. O motivo da adição dessas colunas é lembrar
que para aplicações eólicas, não basta apenas escolher dentre os critérios propostos e
quantificados, é necessário também avaliar qual a faixa de potência que se deseja instalar, tendo
em vista que alguns geradores predominam em aplicações Offshore, e outros no mercado de
Onshore, possibilitando maiores vantagens tecnológicas quando envolvendo esses cenários.
A potência e a aplicação, são exemplos de dois critérios que não são quantificáveis
dentro do método pois no modelo proposto, não foi estipulado um valor fixo de potência para
se avaliar, e nem qual o local de construção da turbina eólica que era de interesse do estudo em
questão. Caso estes dois parâmetros fossem incluídos nas alternativas, o modelo proposto seria
um pouco mais extenso e abrangente.
Para finalizar a aplicação do método, a última etapa consiste em escolher o gerador mais
adequado através da análise dos resultados sintetizados. Tendo em vista este fato, é perceptível
que o critério da classe de vento apresenta maior peso na decisão, obtendo um percentual de
33,6%, seguido do custo do gerador e depois pelo custo de manutenção. Já com menor
importância mais ainda sendo considerado, têm-se a eficiência e o custo da eletrônica de
potência, com 12,8% e 8,6% respectivamente. Note que a soma dos percentuais dos pesos
totalizam 100%, e estes valores podem ser observados, tanto através da Figura 5.11, quanto
pela Figura 5.12.
36,2%
28,8%
22,3%
12,7%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
GIDA GSIP GIGE GSRB
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
71
Já através de uma análise simples de cada alternativa, é interessante perceber que o
GIDA foi a melhor escolha para os critérios de classe de vento e custo de eletrônica de potência,
comprovando sua vantagem competitiva no mercado. Aliás, como era de se esperar, outro
gerador que recebeu destaque conforme era de se esperar, foi o GSIP, sendo a melhor alternativa
para os critérios de custo de manutenção e eficiência. O GIGE é certamente a melhor escolha
quando se tem em mente o custo construtivo do gerador, e por fim, o GSRB é uma boa escolha,
mas para o problema em questão na qual se avaliou as quatro alternativas possíveis, é a pior
escolha possível, não sendo destaque em nenhum dos critérios abordados. O resultado final
mostra uma preferência pelo GIDA com um expressivo valor de 36,2%, seguido pelo GSIP com
28,8%, e já na terceira posição de preferência o GIGE com 22,3%, finalizando a pior posição
com o GSRB com um valor de 12,7%.
A razão de consistência durante a aplicação do método inteiro esteve abaixo do limite
de 10%, mesmo assim, é interessante de forma a melhorar a precisão e a confiabilidade do
método, considerar uma revisão e avaliação de outros critérios e alternativas antes de se realizar
a escolha final.
Como uma consideração final, é interessante notar a distribuição já comentada da ordem
de preferência, embora após a escolha de fato do gerador, deve-se criar um mecanismo de
feedback que permita o contínuo aperfeiçoamento do método para os próximos usos. No
exemplo em questão, o ponto a se levantar é que a chave na decisão sugerida pelo método,
consiste na correta ponderação dos julgamentos mas matrizes de comparação, sendo assim, esta
deveria ser uma etapa feita sobe uma avaliação muito mais criteriosa. Numa grande empresa,
os julgamentos associados podem ser melhor avaliados por um grupo de especialistas de cada
área que possibilitariam uma análise mais equilibrada diante dos julgamentos estabelecidos nas
matrizes de comparação.
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
72
6. Capítulo 6
Considerações Finais e Conclusão
O presente capítulo visa elencar, alguns dos pontos de fragilidade deste trabalho
acadêmico, além de realizar considerações finais acerca do estudo e sugerir estudos futuros
sobre o tema em questão.
6.1 Conclusão
A proposta deste trabalho busca entender melhor como funciona um processo decisório
que não seja pautado somente em critérios subjetivos, mas que trouxesse de alguma forma um
peso objetivo na decisão. Para se realizar esse estudo, foi então estabelecida uma familiarização
com o tema eólico, onde foram elencadas características qualitativas e quantitativas sobre
geradores eólicos, além de se estudar quais tecnologias eram predominantes no mercado atual.
Com isso em mente, chegou-se ao ponto da demonstração de forma simples e estruturada, de
como pode ser uma das possibilidades para se realizar um processo decisório se utilizando de
técnicas desenvolvidas na área em questão.
Tendo em mente os pontos que foram elencados no Capítulo 4 deste trabalho, chegou-
se à conclusão que cada uma das quatro tecnologias abordadas apresentam melhor desempenho
para uma dada aplicação, não existe uma tecnologia que se encaixa e atenda a todas as
exigências técnicas e econômicas. O gerador de indução duplamente alimentado por exemplo,
trouxe inovações quanto ao seu reduzido porte do conversor eletrônico, aumentando sua
competitividade tanto devido à redução de custos quanto aos benefícios técnicos desta
aplicação. Foi possível entender melhor que as tendências mundiais atualmente são fortemente
pautadas no desenvolvimento da eólica principalmente para aplicações offshore, com isso, o
gerador síncrono de ímãs permanentes se destacou entre as preferências dos fabricantes. Com
altas tendências de aumento da demanda mundial por energia, aliada ao fato das projeções de
aumento de capacidade total instalada em energia eólica, providas pelos relatórios do GWEC
(GWEC, 2018), é de extremo interesse o desenvolvimento de pesquisas na área em questão.
Todas estas constatações foram confirmadas com a aplicação do método AHP, na qual
levando em consideração a vasta gama de aplicação para diferentes classes de vento, juntamente
com os menores custos envolvidos para o gerador, a manutenção e o investimento em eletrônica
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
73
de potência, finalizando com a busca pela maior eficiência energética possível, foi comprovado
o interesse dado pelo mercado eólico em investir nos geradores GIDA e GSIP.
O intuito deste trabalho também foi demonstrar a facilidade de aplicação de um método
de decisão que proporcione escolhas mais confiáveis, além de estimular pesquisas futuras que
envolvam o setor de tomada de decisão aplicados às mais variadas áreas possíveis.
Dentro do estudo realizado ao longo desta monografia, é interessante relembrar alguns
pontos que podem ser melhorados ao longo de estudos futuros. Um desses pontos é por exemplo
o fato de ter sido considerado quatro alternativas de escolha para geradores eólicos que seriam
aplicados em turbinas eólicas, lembrando também, que com o apoio de uma equipe de
especialistas sobre o assunto, seria possível elencar mais de cinco critérios e ponderá-los ao
longo do processo decisório do AHP.
Outro fator que pode ser mencionado é a aplicação do método em etapas separadas com
o auxílio do software Excel, isso cria arredondamentos no decorrer da metodologia, reduzindo
a confiabilidade do processo como um todo. Mas uma coisa é certa, como o intuito deste
trabalho era meramente um estudo sobre o método, estas discrepâncias entre os valores são
ínfimas, embora para um processo decisório em uma organização empresarial, seria algo a ser
tratado com uma maior relevância.
6.2 Recomendações para trabalhos futuros
Para uma aplicação futura, seria interessante, o desenvolvimento de um programa capaz
de executar o método como um todo, sem a necessidade de se realizar as etapas de decisão de
maneira separadas e agrupadas ao final do estudo. Neste programa seria dado como entrada os
objetivos, critérios, alternativas, e talvez até a possibilidade de mais de um decisor participar
no processo. Ao longo da execução já haveria o processo de comparação e análise tanto da
coerência quanto da síntese dos resultados. E por fim, seria demonstrado de forma visual e
agradável, a escolha selecionada com análises criteriosas elencadas.
Deve-se mencionar também, que para uma aplicação na qual a decisão implicaria em
grande impacto econômico, é interessante se considerar talvez a aplicação através de uma
equipe de especialistas específicos. Este time deve ser capaz de ponderar da forma mais
coerente possível a etapa de comparação presente no AHP, agregando outros aspectos que não
sejam apenas os econômicos e técnicos, mas também aspectos ambientais, políticos e sociais.
UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação
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