Geração Termo Hidraulica II

Geração Termo Hidraulica II

(Parte 6 de 7)

As TE de eixo vertical conhecidas podem ser de quatro tipos: Darrieus, Savonius,

Panémones e Madaras. Os três primeiros funcionam devido a um mesmo princípio aerodinâmico: a criação de forças tangenciais desbalanceadas em torno do eixo. O último é uma construção bastante peculiar e será descrita em mais detalhes adiante.

Os rotores Darrieus são constituídos por dois ou três aerofólios, formando arcos, ou retos, conforme ilustra a fig. 5.7. Os aerofólios são montados com os bordos de ataque sempre no mesmo sentido ao redor do eixo, de modo que, independente da direção do vento, existe sempre uma resultante da força de arrasto que faz o rotor girar.

Fig. 5.7 – TE do tipo Darrieus. Pás curvas (esq.) e retas (dir.)

Nos rotores Savonius o rotor consiste numa chapa dobrada em forma de S ou em dois semi-cilindros, presos ao eixo (fig. 5.8 esq.). Os rotores Panémones são semelhantes a anemômetros de concha, com calotas hemisféricas pressas ao eixo (fig. 5.8 dir.). Dentre os três tipos, o mais utilizado atualmente é o tipo Darrieus, devido à sua construção mais simples. Tanto os rotores Savonius quanto os Panémones apresentam construção mais complicada à medida que seu tamanho aumenta. Existe uma TE experimental equipada com um rotor Savonius de 30 m de altura instalada em New Jersey, EUA em 1930. Os tamanhos mais comuns hoje em dia variam de 5 e 7 m.

Fig. 5.8 – TE do tipo Savonius (esq.) utilizada pela UFPb para bombeamento de água. TE tipo Panémones (dir.), educacional.

Os rotores Madaras tem seu funcionamento baseado no efeito Magnus, devido ao qual um cilindro girante imerso num escoamento perpendicular ao seu eixo, sofre uma força perpendicular ao eixo e ao vento. Uma central equipada com rotores Madaras consiste de um trilho horizontal circular, com um conjunto de carros dotados de rodas sobre ele. Sobre cada carro há um cilindro vertical que é girado em torno do próprio eixo por um pequeno motor elétrico. A força resultante move os carros no mesmo sentido ao longo do trilho, uma vez que o sentido de rotação é invertido duas vezes a cada giro. As rodas dos carros movem geradores elétricos. A energia gerada é posteriormente centralizada. As centrais do tipo Madaras geraram uma grande expectativa na comunidade científica e uma série de trabalhos teóricos foram publicados antes mesmo da central piloto ser construída. Ela foi construída em 1933, en New Jersey, mas foi destruída por um vendaval antes de seu teste.

2a. classificação: quanto à posição do rotor

• Rotor a montante • Rotor a jusante

Nas TE com rotor a montante, o vento passa pelo rotor antes de passar pelo corpo da máquina. A maior vantagem deste tipo é evitar a sombra causada pelo corpo sobre o rotor. É o tipo mais comum. As desvantagens são que o rotor precisa ser rígido e colocado a alguma distância da torre e que a TE precisa de um sistema de orientação. As TE de rotor a jusante têm o vento passando pelo rotor depois de passar pelo corpo da máquina. Elas têm a vantagem teórica de não precisar de sistema de orientação se o rotor e o corpo forem construídos de maneira a seguir o vento passivamente. Em TE de grande porte isso pode ser uma vantagem duvidosa, devido a problemas construtivos. A vantagem mais importante é que o rotor pode ser mais flexível, o que é uma vantagem em relação ao peso e à dinâmica da TE. A desvantagem óbvia é o fato do rotor estar situado na sombra do corpo e da torre.

3a. classificação: quanto ao número de pás

• Rotores de uma pá • Rotores de duas pás

• Rotores de muitas pás

O número de pás nas TE é geralmente pequeno, quando a finalidade é a geração de energia elétrica, variando entre uma e quatro. A fig. 5.9 mostra exemplos de TE com uma, duas e três pás. Os modelos de três pás são os mais comuns. O número de pás de uma TE varia em função de sua rotação, da velocidade do vento e de considerações estruturais. As TE de muitas pás (12, 18 ou 24, em geral) são conhecidas como cata-ventos e geralmente são utilizados para realização de trabalho mecânico, como moagem e elevação de água em fazendas.

Além dos tipos de TE descritos acima, muitos outros foram patenteados ao longo dos anos. O vento, mais do que outras fontes renováveis de energia, tem atraído a atenção de inventores, tanto profissionais quanto amadores. Há, por exemplo, um projeto de uma TE de

eixo horizontal, na forma de uma roda d’água colocada dentro de um duto, mas registros de sua aplicação são bastante raros.

Fig. 5.9 – Rotores de duas e três pás (esq.). Rotores de uma pá (centro). Rotor de muitas pás (dir.) utilizado em bombemanento de água

Nos oceanos, assim como nos rios, existe uma considerável reserva de energia aproveitável para a conversão em energia elétrica. No caso dos rios, a energia disponível encontra-se, em princípio, sob a forma cinética, associada ao movimento da água. Havendo reservatório de regularização, é possível transformar a energia cinética em energia potencial gravitacional associada à queda criada artificialmente. Nos oceanos, sabe-se da existência de energia disponível associada a quatro fenômenos:

• As marés. • As correntes oceânicas;

• O gradiente vertical de temperatura

As marés são o fenômeno de mais fácil aproveitamento, pois permite o uso de uam tecnologia já existente, nominalmente, as TH.. Os outros tipos de aproveitamento ainda encontram-se em fase de desenvolvimento tecnológico e estudos de viabilidade econômica. Os quatro tipos serão estudados separadamente nos itens a seguir.

5.2.1. Energia das marés 5.2.1.1. Introdução

O movimento cíclico do nível da superfície do mar, conhecido como maré, decorre da influência combinada de uma série de fatores. O mais importante deles é o posicionamento relativo entre o Sol, a Lua e a Terra, conforme ilustra a fig. 5.10. A gravidade do Sol e da Lua, agindo sobre as grandes massas de água de um lado do planeta, eleva a altura da superfície do mar, criando a maré alta, ou preamar deste lado. No lado oposto, a altura da superfície do mar abaixa para compensar o deslocamento de massa, gerando a maré baixa, ou baixamar. Apenas sob a influência do Sol e da Lua, todos as grandes massas d’água do planeta apresentariam duas preamar e duas baixamar por dia. Outros fatores, entretanto, modificam esta distribuição.

Dentre os outros fatores dos quais depende a altura das marés numa certa região, os mais conhecidos são a excentricidade da órbita da Terra, o formato da costa, sua profundidade, o vento e as correntes oceânicas. A influência do vento é “empilhar” água na costa quando incide perpendicularmente à esta, devido à força de atrito ar-água. Um vento da costa para o mar, naturalmente, exerce o efeito contrário, criando uma depressão na superfície do mar. As correntes marítimas também podem causar o mencionado quando uma corrente incide em direção à costa. O efeito contrário é observado quando uma corrente contorna o litoral, deixando atrás de si uma depressão.

Para se ter idéia da influência simultânea dos fatores mencionados, simulações numéricas recentes indicam que no litoral do estado do Rio de Janeiro, a componente gravitacional da maré tem uma altura da mesma ordem de grandeza da componente meteorológica (devida ao vento).

Fig. 5.10 – Relação entre as marés e as posições do Sol e da Lua.

A altura das marés numa determinada região, a despeito de normalmente ter valores conhecidos, ainda não é um problema completamente compreendido. Alguns exemplos de marés consideradas anômalas são apresentadas a seguir, para ilustrar. No Golfo de Tonquin, Vietnã do Norte, existe apenas uma preamar e uma baixamar por dia. No Mar Mediterrâneo, a diferença entre a preamar e a baixamar (chamada simplesmente maré daqui por diante) é de apenas alguns centímetros, a despeito do grande tamanho do Mediterrâneo. Em certas regiões da Austrália, praticamente não existem marés, enquanto em outras (foz do Rio Fitzroy, por exemplo) ela chega a 1 m.

Algumas marés notáveis e com grande potencial para a produção de energia são registradas ao redor do mundo. Em Puerto Gallegos, Argentina a maré atinge 13.3 m. Na foz do Rio Severn, Reino Unido chega a 16.3 m. Na Baía de Fundy, fronteira entre EUA e Canadá, a maior maré registrada atinge até 20 m. No Brasil, estudos que indicam que somente a costa entre São Luiz (MA) e o estado do Amapá contam com marés favoráveis ao aproveitamento, acima de 4 m.

As centrais que utilizam a energia das marés para a geração de energia elétrica são chamadas centrais maremotrizes. São sempre instaladas na costa e, em alguns casos, na foz de rios, utilizando a desenho natural da costa. Algumas marés são capazes de penetrar rio acima, se eles forem suficientemente largos, permitindo o aproveitamento relativamente distante da foz. A figura 5.1 ilustra o funcionamento de uma central maremotriz.

Fig. 5.1 – Esquema de funcionamento de uma central maremotriz

As marés possuem, em princípio, apenas energia cinética associado ao movimento da água. Esta energia pode ser convertida em energia potencial gravitacional, associada à sua elevação e vazamento de uma represa.

Existem atualmente duas centrais maremotrizes em escala comercial em operação no mundo. Uma de 240 MW, usando 24 TH Bulbo de 10 MW, situada em La Rance, Brittany, França (fig. 5.12) inaugura em 1965. A outra, de uma única TH Straflo de 16 MW, está instalada em Annapolis Royal, Nova Scotia, Canadá e foi posta em funcionamento em 1982 para demonstrar a capacidade das TH Straflo. Existem aproximadamente 10 pequenas centrais espalhadas pelo mundo, sem produção comercial de energia. Por exemplo, a central da foz do River Tawe, Swansea Bay, Wales, com 200 kW. A China possui várias centrais de 400 kW e menor tamanho.

Fig. 5.12 - Central de La Rance, França.

5.2.1.2. Classificações das centrais maremotrizes As centrais maremotrizes podem ser classificadas de duas formas, que são:

• Quanto ao uso de reservatório • Quanto ao sentido de turbinamento.

1a. classificação: quanto ao uso de reservatório

• Centrais sem reservatório • Centrais com reservatório;

As centrais sem reservatório ou offshore, não utilizam barragem, suas turbinas são montadas sobre o fundo do oceano, a pequena distância da costa. É um projeto que apenas recentemente foi considerado para produção em larga escala e que não apresenta os problemas ambientais relacionados à barragem. A central piloto encontra-se em construção na Noruega. A figura 5.13 ilustra o conceito. É evidente a semelhança construtiva com as TE.

Fig. 5.13 – Representação artística da central marémotriz localizada na Noruega.

As centrais com reservatório, acumulam a água do mar no reservatório e produzem energia em regime intermitente. O reservatório é enchido enquanto a maré sobe e esvaziado depois que ela desce. A diferença de nível criada artificialmente entre o reservatório e o mar, chamada queda, é aproveitada por TH. Evidentemente as comportas não são abertas até que se forme a queda adequada ao funcionamento das TH. A produção de energia dá-se apenas durante os períodos em que isto ocorre. Devido às baixas quedas, as turbinas que podem ser empregadas são dos tipos Tubular, Bulbo e Straflo.

2a. classificação: quanto ao sentido de turbinamento:

Nas centrais de sentido único, a água do reservatório de acumulação aciona as TH apenas no retorno do reservatório para o mar. Nas de sentido duplo, as TH são acionadas nos dois sentidos, isto é, tanto no enchimento do reservatório quanto no seu esvaziamento. Estas últimas permitem uma maior uniformidade no fornecimento de energia.

Nas centrais de duplo sentido, o fato das TH terem que funcionar nos dois sentidos implica em um rendimento mais baixo. O motivo é elas terem que funcionar fora do ponto de projeto em um dos dois sentidos. Nestas centrais, pode-se utilizar TH reversíveis, que também funcionem como bombas para aumentar o desnível entre o reservatório e o mar. Este procedimento melhora o rendimento da central, mas novamente o rendimento das TH cai. Em geral, as TH devem ser projetadas para operar com máximo rendimento na operação de turbinamento, pois a de bombeamento é de importância secundária devido à sua curta duração.

As principais vantagens das centrais maremotrizes são os fatos da energia oceânica ser inesgotável e delas não emitirem poluentes, como as hidroelétricas e as eólicas. O impacto ambiental associado a sua presença, entretanto, tem sido considerado alto. Esse assunto será explorado em mais detalhes no capítulo sobre aspectos ambientais na geração de energia elétrica. Outra vantagem é o fato das marés serem um fenômeno cíclico, portanto previsível e confiável, ainda que intermitente. O fato da tecnologia necessária para o aproveitamento estar plenamente desenvolvida também é um ponto positivo.

A principal desvantagem das centrais marémotrizes é que elas são obras bastante dispendiosas em relação à quantidade de energia gerada, pois o período diário de produção de energia não ultrapassa algo em torno de 10 horas. Além disso, existem poucos locais no mundo com condições geográficas e de queda favoráveis à instalação deste tipo de central. Litorais retos e sem recortes, por exemplo, tendem a encarecer ou até a inviabilizar a implantação de centrais.

A reserva de energia das correntes oceânicas, encontra-se na forma cinética, associada ao seu movimento. O aproveitamento desta energia ainda parece distante no futuro. Com a tecnologia atual, não é possível converter a energia cinética das correntes em energia potencial gravitacional. Além disso, as correntes só exibem velocidades adequadas para o aproveitamento direto na forma cinética (como nas centrais maremotrizes sem reservatório, fig. 5.10), distante das costas e à profundidades consideráveis. Isso implicaria em dificuldades de posicionamento das turbinas e em altos custos de transmissão.

As ondas oceânicas, também possuem um conteúdo aproveitável de energia cinética.

Infelizmente, as ondas apresentam largas variações de localização, horário, amplitude e freqüência, o que dificulta seu aproveitamento. Existem, contudo, áreas do planeta em que ondas com elevado conteúdo energético persistem por boa parte do dia. Estas ondas têm sido consideradas para a geração de energia elétrica através de uma gama de meios engenhosos. Os maiores problemas atualmente enfrentados dizem respeito ao projeto mecânico. A maioria dos aparatos patenteados para aproveitamento da energia das ondas são complicados e não resistem às eventuais tempestades a que ficam expostos. Além disso a manutenção é difícil e existem problemas relacionados ao crescimento de organismos marinhos.

Ainda que muitos dispositivos para o aproveitamento da energia das ondas tenham sido inventados e patenteados, apenas uns poucos foram testados e a maioria deles em tanques de ondas e não no mar. Em meados da década de 90, 12 destes sistemas eram conhecidos. Alguns extraem energia das ondas de superfície, outros das flutuações de pressão abaixo da superfície ou da onda inteira. Uns são fixos e deixam que as ondas passam por eles, enquanto outros acompanham o seu movimento, como flutuadores, por exemplo. Alguns sistemas concentram a as ondas, aumentando sua altura, outros as aproveitam da maneira como estão. Alguns apresentam-se flutuando à superfície enquanto outros estão submersos.

A figura 5.14 mostra o esquema e a concepção artística de um sistema para aproveitamento de energia das ondas conhecido como OWC (Oscillating Water Column). Uma espécie de turbina eólica é acionada pelo ar deslocado pelas ondas, sempre no mesmo sentido.

(Parte 6 de 7)

Comentários