Energia eolica

Energia eolica

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3.2.1) Densidade do ar

A energia cinética de um corpo em movimento é proporcional a sua massa, assim a energia cinética do vento depende da densidade do ar e de sua massa por unidade de volume. Quanto mais denso seja o ar, maior quantidade de energia a turbina receberá. À pressão atmosférica normal a densidade do ar é de 1,225 kg/m3. A grandes altitudes a pressão do ar diminui e o ar é menos denso.[4]

3.2.2) Área de varrimento do rotor

A área de varrimento do rotor ou, pode-se dizer, a circunferência onde o rotor atua fisicamente é que determina quanta energia do vento a turbina eólica é capaz de captar. Dado que a área do rotor aumenta com o quadrado do raio, por exemplo, uma turbina duas vezes maior recebe quatro vezes mais energia.

3.2.3) Distribuição da pressão no rotor

A pressão do ar aumenta gradualmente à medida que o vento se aproxima do rotor, uma vez que o rotor atua como barreira ao vento, na parte posterior do rotor a pressão cai imediatamente, estabilizando gradualmente à medida que se afasta. À medida que o vento se afasta do rotor a turbulência do vento provoca que o vento mais lento se misture com o vento mais rápido da área circundante, reduzindo o efeito de “abrigo ao vento”.

3.3) Lei de Betz

Quanto maior for a energia cinética extraída do vento pelo aerogerador de um sistema eólico, maior será a travagem que sofrerá o vento que deixa o aerogerador. Se teoricamente fosse possível extrair toda a energia do vento, o ar sairia com velocidade nula, ou melhor, o ar não poderia abandonar a turbina. Nesse caso não seria possível extrair nenhuma energia, uma vez que também não entraria ar no rotor do aerogerador. No outro caso extremo, consideramos o ar a passar pelo tubo de vento sem nenhum impedimento, também não será possível extrair energia do vento.

Entre estes dois extremos existe um valor para o qual é mais eficiente a conversão da energia do vento em energia mecânica : um aerogerador irá frear até cerca de 2/3 da sua velocidade inicial. Este valor é referente a uma formulação de 1919, realizada pelo físico Albert Betz, e conhecida como Lei de Betz.

A Lei de Betz diz que só se pode converter menos de 16/27 (59%) da energia cinética em energia mecânica ao utilizar um aerogerador.

Como a potência varia com o cubo da velocidade do vento, e proporcionalmente com a densidade do ar. A maior parte da energia eólica está localizada acima da velocidade média do vento de projeto. Para a produção de energia elétrica em grande escala só locais com valores de velocidades médias anuais superiores a 6 m/s são interessantes; abaixo deste valor já não existe viabilidade para este tipo de aplicações. [4]

De fato a velocidade à qual os aerogeradores começam a rodar situa-se entre 3 e 5 m/s, no entanto abaixo de 5 m/s a quantidade de energia no vento é muito baixa, e a turbina apenas começa a funcionar por volta dos 5 m/s. [4]

Os valores ideais de aproveitamento estão em torno dos 9 ou 10 m/s, porém as turbinas podem ser projetadas para uma eficiência máxima dependendo da zona de velocidade de vento onde esteja a maior parte da energia. [4]

3.4) Armazenamento de Energia

Como o comportamento do vento muda ao longo do tempo, pode ser necessária a utilização de um sistema de armazenamento de energia que garanta o fornecimento adequado à demanda. Nos casos em que a energia eólica é utilizada para complementar a produção de energia convencional, a energia gerada é injetada diretamente na rede elétrica, não sendo necessário o armazenamento de energia, bastando que o sistema elétrico convencional de base esteja dimensionado para atender à demanda durante os períodos de calmaria.

Quando a energia eólica é utilizada como fonte primária de energia, uma forma de armazenamento é necessária para adaptar e “racionalizar” o perfil aleatório de produção energética ao perfil de consumo. Para isso, é necessário armazenar o excesso de energia durante os períodos de ventos de alta velocidade, para usá-la quando o consumo não puder ser atendido por insuficiência de vento, esse excesso de energia pode ser armazenada em baterias, deixando as carregadas para utilizar as mesmas mais tarde quando tiver insuficiência de vento.

4) Funcionamento

4.1) Sistemas de Energia eólica Um exemplo de um sistema eólico é apresentado na figura 4.1

Figura 4.1 – Exemplo de uma instalação eólica [12]

Um sistema eólico é constituído por vários componentes que devem trabalhar em harmonia de forma a propiciar um maior rendimento final. Para efeito de estudo global da conversão eólica devem ser considerados os seguintes componentes:

• Vento: Disponibilidade energética do local destinado à instalação do sistema eólico.

• Rotor: Responsável por transformar a energia cinética do vento em energia mecânica de rotação.

• Transmissão e Caixa Multiplicadora: Responsável por transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até a carga. Alguns geradores não utilizam este componente; neste caso, o eixo do rotor é acoplado diretamente à carga.

• Gerador Elétrico: Responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica.

• Mecanismo de Controle: Responsável pela orientação do rotor, controle de velocidade, controle da carga, etc.

• Torre: Responsável por sustentar e posicionar o rotor na altura conveniente.

• Sistema de Armazenamento: Responsável por armazenar a energia para produção de energia firme a partir de uma fonte intermitente.

• Transformador: Responsável pelo acoplamento elétrico entre o aerogerador e a rede elétrica.

O rendimento global do sistema eólico relaciona a potência disponível do vento com a potência final que é entregue pelo sistema. Os rotores eólicos ao extraírem a energia do vento reduzem a sua velocidade; ou seja, a velocidade do vento frontal ao rotor (velocidade não perturbada) é maior do que a velocidade do vento atrás do rotor (na esteira do rotor). Uma redução muito grande da velocidade do vento faz com que o ar circule em volta do rotor, ao invés de passar através dele, 59,3% da energia contida no fluxo de ar pode ser teoricamente extraída por uma turbina eólica. Na prática, entretanto, o rendimento aerodinâmico das pás reduz ainda mais este valor. Para um sistema eólico, existem ainda outras perdas, relacionadas com cada componente (rotor, transmissão, caixa multiplicadora e gerador). Além disso, o fato do rotor eólico funcionar em uma faixa limitada de velocidade de vento também irá contribuir para reduzir a energia por ele captada.

Todo sistema eólico somente começa a funcionar a partir de uma certa velocidade, chamada de velocidade de entrada, que é necessária para vencer algumas perdas. Quando o sistema atinge a chamada velocidade de corte um mecanismo de proteção é acionado com a finalidade de não causar riscos ao rotor e à estrutura.

Para os sistemas eólicos, a velocidade de rotação ótima do rotor varia com a velocidade do vento. Um sistema eólico tem o seu rendimento máximo a uma dada velocidade do vento (chamada de velocidade de projeto ou velocidade nominal) e diminui para velocidades diferentes desta.

Projetar um sistema eólico, para um determinado tamanho de rotor e para uma carga pré-fixada, supõe trabalhar no intervalo ótimo de rendimento do sistema com relação a curva de potência disponível do vento local. Isto requer encontrar uma relação de multiplicação, de maneira que se tenha um bom acoplamento rotor/carga. É necessário também, ter mecanismos de controle apropriados para melhorar o rendimento em outras velocidades de vento e aumentar o intervalo de funcionamento do sistema eólico.

Um exemplo de mecanismo de controle é a utilização de rotores com ângulo de passo variável. Com este controle, a medida que a velocidade do vento varia, as pás mudam de posição, variando o rendimento do rotor. Com isto, pode-se aumentar o intervalo de funcionamento do sistema eólico e ainda manter uma determinada velocidade de rotação, que corresponde a eficiência máxima do gerador.

Como uma primeira aproximação, o rendimento global de um sistema eólico simples pode ser estimado em 20%. [1]

A Figura 4.2 apresenta as diversas partes constituintes de um sistema eólico.

1. Cubo do rotor 2. Pás do rotor 3. Sistema hidráulico 4. Sistema de posicionamento da nacele 5. Engrenagem de posicionamento 6. Caixa multiplicadora de rotação 7. Disco de freio 8. Acoplamento do gerador elétrico 9. Gerador elétrico 10. Sensor de vibração 1. Anemômetro 12. Sensor de direção 13. Nacele, parte inferior 14. Nacele, parte superior 15. Rolamento do posicionamento 16. Disco de freio do posicionamento 17. Pastilhas de freio 18. Suporte do cabo de força

19. Torre

Figura 4.2 - Apresentação das diversas partes constituintes de um rotor de sistema eólico. [12]

4.2. Aplicações do sistema Eólico

Um sistema eólico pode ser utilizado em três aplicações distintas: sistemas isolados, sistemas híbridos e sistemas interligados à rede. Os sistemas obedecem a uma configuração básica, necessitam de uma unidade de controle de potência e, em determinados casos, conforme a aplicação, de uma unidade de armazenamento.

4.3) Sistemas Isolados

Os sistemas isolados de pequeno porte, em geral, utilizam alguma forma de armazenamento de energia. Este armazenamento pode ser feito através de baterias ou na forma de energia potencial gravitacional com a finalidade de armazenar a água bombeada em reservatórios elevados para posterior utilização. Alguns sistemas isolados não necessitam de armazenamento, como no caso dos sistemas para irrigação onde toda a água bombeada é diretamente consumida.

Os sistemas que armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar a carga e a descarga da bateria. O controlador de carga tem como principal objetivo não deixar que haja danos ao sistema de bateria por sobrecargas ou descargas profundas. Para alimentação de equipamentos que operam com corrente alternada (CA) é necessário a utilização de um inversor. Este inversor pode ser de estado sólido (eletrônico) ou rotativo (mecânico).

4.4) Sistemas Híbridos

Os sistemas híbridos são aqueles que apresentam mais de uma fonte de energia como, por exemplo, turbinas eólicas, geradores Diesel, módulos fotovoltaicos, entre outras. A utilização de várias formas de geração de energia elétrica aumenta a complexidade do sistema e exige a otimização do uso de cada uma das fontes. Nesses casos, é necessário realizar um controle de todas as fontes para que haja máxima eficiência e otimização dos fluxos energéticos na entrega da energia para o usuário.

Em geral, os sistemas híbridos são empregados em sistemas de médio porte destinados a atender um número maior de usuários. Por trabalhar com cargas em corrente alternada, o sistema híbrido também necessita de um inversor. Devido à grande complexidade de arranjos e multiplicidade de opções, a forma de otimização do sistema torna-se um estudo particular a cada caso.

4.5) Sistemas Interligados à Rede

Os sistemas interligados à rede não necessitam de sistemas de armazenamento de energia, pois toda a geração é entregue diretamente à rede elétrica. Estes sistemas representam uma fonte complementar ao sistema elétrico de grande porte ao qual estão interligados. Os sistemas eólicos interligados à rede apresentam as vantagens inerentes aos sistemas de geração distribuída tais como: a redução de perdas, o custo evitado de expansão de rede e a geração na hora de ponta quando o regime dos ventos coincide com o pico da curva de carga.

4.6) Relação entre velocidade do vento e altura.

A velocidade do vento em um determinado local aumenta drasticamente com a altura.

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