Dimensionamento de um parque eólico e sua subestação comparando ferramentas de CFD e atlas eólicos

Abstract

O presente trabalho estuda a distribuição de velocidades do vento em um terreno complexo, comparando os valores de energia média produzida em um ano aleatório a partir de atlas eólicos, medições de vento e simulações em CFD. Adicionalmente, é proposto um dimensionamento simplificado da subestação do parque eólico, com o objetivo de subsidiar estudos iniciais de conexão à rede elétrica, a partir da potência definida pelo parque. A partir das medições do vento em um terreno próximo a Panambi-RS, é modelada a simulação em CFD da distribuição do vento nesse local a 80 m do solo, para ser realizado o micrositing e definido o posicionamento favorável de 4 aerogeradores de 2,1 MW. Os valores de velocidade obtidos são utilizados para o cálculo da produção média de energia em um ano típico e comparados com as referências do Atlas Eólico do Rio Grande do Sul, nas versões 2002 e 2014, e medições pelo anemômetro do local. Ainda, são especificados a localização da subestação elevadora do parque, cabeamento, equipamentos principais, malha de aterramento, cabos para-raios e arranjo geral da mesma. Os resultados obtidos por simulação de CFD apontam que a velocidade média no terreno varia entre 5,8 m/s e 7,1 m/s, sendo definidos pontos próximos a 7 m/s por micrositing para instalação das turbinas. A versão 2014 do Atlas apresentou um valor de 6,5 m/s para a média no terreno, ao contrário da versão 2002 que superestimou a velocidade em 17%. O resultado na torre de medições foi 6% superior ao Atlas 2014, devido a aceleração do vento no ponto da medição. A energia média produzida é de 29,05 GWh/ano para o posicionamento definido por micrositing, sendo 16,3% superior ao cálculo a partir do Atlas 2014. Segundo o Atlas de 2002, a energia prevista é superestimada em 36,5% e os valores do anemômetro são 7% superiores, ambos em relação a versão 2014. No projeto simplificado da subestação, é definida uma localização que permite a chegada de dois circuitos coletores em um barramento flexível e um pórtico metálico de saída da linha de transmissão até Panambi. São especificados um transformador ONAF, de potência 10/12,5 MVA para elevar a tensão de 34,5 kV para 69 kV, cabos de alumínio para ambas as seções e os equipamentos de proteção necessários. Uma malha de aterramento com espaçamentos de 4 m x 4 m em conjunto com uma camada de 0,2 m de brita fazem o aterramento do solo, enquanto cabos de aço-alumínio galvanizado formam o circuito aterrado de blindagem da subestação. Por fim, os diagramas unifilar e trifilar da subestação sumarizam o projeto simplificado da mesma.

The present work studies the wind velocity distribution in a complex terrain, comparing the values of average energy production in a random year among wind atlases, wind measurements and CFD simulations. Additionally, it’s proposed a simple specification of a substation for the wind power plant, with purposes of subsidizing the initial studies of connection to the electrical grid, from the defined nominal power of the power plant. From averages of the measurements of the wind on a terrain next to Panambi-RS, the CFD simulation is molded to simulate the local wind distribution at 80 m from ground, in order to perform the micrositing and define the positions of four 2,1 MW wind turbines. The values of velocity obtained are utilized for calculating the average energy production in a typical year, comparing with the references from the Rio Grande do Sul Wind Atlas, in both 2002 and 2014 versions, and the measurements from the local anemometer. Furthermore, the localization of the substation, definition of cables, main equipment, grounding grid, lightning shielding and the general allocation of the substation are given. The results obtained for the CFD simulation show that the mean velocity on the terrain varies between 5,6 m/s and 7,1 m/s, and points next to 7 m/s are defined by micrositing. The 2014 version of the Atlas provides a reasonable average of 6,5 m/s for the region, in of spite of the 2002 version which gives a 17% superior result. The result from the measurements tower is 6% higher than the 2014 Atlas, due to the acceleration of the wind at the measurement point. The average energy produced is 29,05 GWh/year for the micrositing positioning, which is 16,3% higher than the calculation from the 2014 Atlas. From the 2002 version, the energy forecast is overestimated in 36,5% and the measurements find 7% higher values, both compared with the 2014 atlas. On the simplified substation project, is proposed a location which enables two collectors circuits arriving at the flexible bus-bar and a dead-end metallic structure giving way to the transmission line to Panambi. An ONAF transformer of 10/12,5 MVA is specified elevate the voltage from 34,5 kV to 69 kV, as well as all aluminum cables for both high and low voltage sectors and every single protection equipment needed. A grounding grid with 4 m x 4 m spacing along with a sheet of 0,2 m of crushed stone is used for ground insulation, and Alumoweld cable are used for lightning shielding of the substation. Lastly, single phase and three phase diagrams summarize the simplified project of the substation.