Turbinas eólicas

Turbinas eólicas

(Parte 2 de 3)

Fonte: Global Wind Energy Council.

Apesar da significativa contribuição da Dinamarca e de alguns outros países europeus para disseminar o uso das turbinas eólicas, o maior produtor de energia elétrica de origem eólica atualmente não é europeu. Devido a uma crise energética e crise de petróleo, ocorridas na década de 70, os Estados Unidos, com grande participação da NASA6, investiram fortemente em desenvolvimento e implantação de fontes de energias alternativas. Atualmente o país ocupa o primeiro lugar na produção de energia, seguido de perto pela Alemanha.

Tabela 1.1 Quantidade de potência produzida por país.

País

Potência Instalada (MW)

% da produção mundial

Estados Unidos

25000

20.8

Alemanha

24000

19.8

Espanha

17000

13.9

China

12500

10.1

Índia

9500

8.0

Itália

4300

3.1

França

4000

2.8

Inglaterra

3700

2.7

Dinamarca

3000

2.6

Portugal

2600

2.0

Brasil

835.3

0.7

Fonte: Global Wind Energy Council.

Devido às diversas conferências relacionadas ao meio ambiente e ao aquecimento solar, a maioria dos países do primeiro mundo está concentrando esforços no aumento do uso da energia eólica, bem como no uso de outros tipos de energias renováveis. Os Estados Unidos têm como meta para 2020 que 6% da eletricidade sejam provenientes de geração eólica enquanto que a união européia tem 12% como meta para o mesmo ano.

    1. ENERGIA EÓLICA NO CENÁRIO BRASILEIRO

Diversos estudos e levantamentos, que já foram ou que vem sendo realizados, dão suporte a exploração da energia eólica no Brasil. Com base nesses estudos o país segue a tendência mundial de utilização cada vez maior da energia eólica, já que através deles pode-se comprovar que temos um dos maiores potenciais eólicos em todo o mundo. Esse potencial é comprovado pelo constante crescimento na quantidade de usinas eólicas em território brasileiro, que passou de 7 usinas, no final de 2001, para 46, atualmente. A tabela 1.1 mostra as usinas brasileiras em ordem de capacidade de produção de energia.

Tabela 1.2 As 46 usinas eólicas brasileiras.

Usina

Potência (kW)

Município

Praia Formosa

104.400

Camocim - CE

Canoa Quebrada

57.000

Aracati - CE

Eólica Icaraizinho

54.600

Amontada - CE

Parque Eólico de Osório

50.000

Osório - RS

Parque Eólico Sangradouro

50.000

Osório - RS

Parque Eólico dos Índios

50.000

Osório - RS

Bons Ventos

50.000

Aracati - CE

RN 15 - Rio do Fogo

49.300

Rio do Fogo - RN

Volta do Rio

42.000

Acaraú - CE

Parque Eólico Enacel

31.500

Aracati - CE

Eólica Praias de Parajuru

28.804

Beberibe - CE

Praia do Morgado

28.800

Acaraú - CE

Parque Eólico de Beberibe

25.600

Beberibe - CE

Foz do Rio Choró

25.200

Beberibe - CE

Eólica Paracuru

23.400

Paracuru - CE

Pedra do Sal

18.000

Parnaíba - PI

Taíba Albatroz

16.500

São Gonçalo do Amarante - CE

Eólica Canoa Quebrada

10.500

Aracati - CE

Millennium

10.200

Mataraca - PB

Eólica de Prainha

10.000

Aquiraz - CE

Eólica Água Doce

9.000

Água Doce - SC

Eólica de Taíba

5.000

São Gonçalo do Amarante - CE

Pirauá

4.950

Macaparana - PE

Xavante

4.950

Pombos - PE

Mandacaru

4.950

Gravatá - PE

Santa Maria

4.950

Gravatá - PE

Gravatá Fruitrade

4.950

Gravatá - PE

Parque Eólico do Horizonte

4.800

Água Doce - SC

Presidente

4.500

Mataraca - PB

Camurim

4.500

Mataraca - PB

Albatroz

4.500

Mataraca - PB

Coelhos I

4.500

Mataraca - PB

Coelhos III

4.500

Mataraca - PB

Atlântica

4.500

Mataraca - PB

Caravela

4.500

Mataraca - PB

Coelhos II

4.500

Mataraca - PB

Coelhos IV

4.500

Mataraca - PB

Mataraca

4.500

Mataraca - PB

Lagoa do Mato

3.230

Aracati - CE

Eólio - Elétrica de Palmas

2.500

Palmas - PR

Mucuripe

2.400

Fortaleza - CE

Macau

1.800

Macau - RN

Eólica de Bom Jardim

600

Bom Jardim da Serra - SC

Eólica de Fernando de Noronha

225

Fernando de Noronha - PE

Eólica Olinda

225

Olinda - PE

IMT

2,2

Curitiba - PR

Fonte: www.aneel.gov.br

O fato de os períodos de menor capacidade dos reservatórios das hidrelétricas, coincidirem com os períodos de maiores ventos (portanto de maior geração) de energia nas usinas eólicas aumenta confiabilidade e estabilidade do sistema elétrico brasileiro. Além disso, o fator de capacidade das usinas eólicas em regiões de ventos médios anuais (superiores a 8m/s) chega a atingir 40% e, em algumas localidades do litoral nordeste do Brasil, em alguns meses pode atingir 60%. Mesmo com esse potencial alto, a produção de energia eólica no Brasil ainda é muito pequena, ocupando menos de 1% da produção de energia elétrica no país, como mostra a tabela 1.2.

Tabela 1.3 Origem e quantidade de eletricidade produzida no Brasil.

Tipo

Capacidade Instalada

%

Total

%

N.° de Usinas

(kW)

N.° de Usinas

(kW)

 Hidro

 

870

80.031.457

67

870

80.031.457

67,2

 Gás

Natural

93

11.050.530

9,3

128

12.341.813

10,4

Processo

35

1.291.283

1,1

 Petróleo

Óleo Diesel

824

3.992.543

3,4

853

6.516.346

5,47

Óleo Residual

29

2.523.803

2,1

 Biomassa

Bagaço de Cana

312

5.956.646

5

382

7.605.201

6,39

Licor Negro

14

1.240.798

1

Madeira

40

327.827

0,3

Biogás

9

48.522

0

Casca de Arroz

7

31.408

0

 Nuclear

 

2

2.007.000

1,7

2

2.007.000

1,68

 Carvão Mineral

Carvão Mineral

9

1.594.054

1,3

9

1.594.054

1,34

 Eólica

 

46

835.336

0,7

46

835.336

0,7

Importação

Paraguai

 

5.650.000

5,5

 

8.170.000

6,86

Argentina

 

2.250.000

2,2

Venezuela

 

200.000

0,2

Uruguai

 

70.000

0,1

Total

2.290

119.101.207

100

2.290

119.101.207

100

Fonte: www.aneel.gov.br

2.TURBINAS EÓLICAS

    1. TIPOS DE TURBINAS

Existem diversos tipos de turbinas eólicas atualmente, devido à variedade de modificações que podem ser feitas na construção das mesmas e também da possibilidade de serem instaladas na terra ou no mar e estar isolados ou agrupados em parques.

As turbinas eólicas se dividem, usualmente, em dois tipos principais, que são: Turbinas axiais de eixo horizontal (TEEH) e turbinas axiais de eixo vertical (TEEV). Essa diferenciação é feita normalmente em função da aplicação.

Figura 2.1 Turbinas eólicas de eixo vertical (esq.) e de eixo horizontal (dir.)

Fonte: http://www.eole.org

      1. Turbinas axiais de eixo horizontal

São as mais comuns, sendo aplicadas, normalmente, nos parques eólicos de produção de energia elétrica. Na maioria dos casos, a turbina é constituída por três pás, existindo também turbinas com uma ou duas pás. As turbinas de rotor de duas ou três pás apresentam uma relação entre potência extraída e a área de atuação do rotor superior às turbinas de rotor múltiplas, além disso, seu rendimento é o melhor entre todos os tipos e pode ser otimizado quando combinado com velocidades de vento mais elevadas. A turbina horizontal necessita de um mecanismo que permita o posicionamento do eixo da turbina em relação à direção do vento, de modo a proporcionar um melhor aproveitamento dos ventos, principalmente em zonas onde a direção destes mude com freqüência.

A potência de uma turbina eólica está diretamente relacionada com o diâmetro do rotor, sendo mais elevada quanto maior for este diâmetro. A figura 4.2 apresenta a evolução da potência das turbinas eólicas na Alemanha entre 1980 e 2005.

Figura 2.2 Evolução da potência das turbinas com relação ao seu tamanho ao longo dos anos

Fonte: http://www.windpower.org

      1. Turbinas axiais de eixo vertical

São as menos comuns, normalmente utilizadas em sistemas de bombeamento de água, onde o custo final, devido à simplicidade do sistema de transmissão e construção, pode compensar o seu baixo rendimento. Devido à baixa demanda, atualmente, poucas empresas fabricam turbinas eólicas de eixo vertical.

Os principais tipos de turbinas de eixo vertical são as turbinas de Savonius (figura 1.7) e as de Darrieus (figura 1.8).

Figura 2.3 Turbina do tipo Savonius

Fonte: http://www.reuk.co.uk

As turbinas do tipo Savonius operam com um elevado torque e podem apresentar uma curva de rendimento em relação à velocidade bastante próxima da curva de rendimento das turbinas de eixo horizontal de múltiplas pás.

Figura 2.4 Turbina do tipo Darrieus

Fonte: http://www.reuk.co.uk

As turbinas do tipo Darrieus são movidas por forças de sustentação e constituídas por lâminas curvas de perfil aerodinâmico, ligadas pelas extremidades ao eixo vertical.

As grandes vantagens deste tipo de turbina são o fato de não necessitarem de mecanismos de acompanhamento para variações da direção do vento, o que reduz a complexidade do projeto e os esforços devido às forças de Coriolis7. Os rotores de eixo vertical também podem ser movidos por forças de sustentação e por forças de arrasto e de poderem estar diretamente implantadas no solo, eliminando a necessidade da instalação de uma torre. Como desvantagem, além da limitação no rendimento da turbina, as turbinas verticais tendem a causar vibrações acentuadas em toda a sua estrutura.

    1. COMPONENTES DE UMA TURBINA

Neste tópico, iremos enfatizar somente turbinas eólicas de eixo horizontal, que são as mais difundidas no mercado.

Os aerogeradores possuem três componentes básicos: o rotor com as pás, a nacele (ou gôndola) e a torre. Na nacele estão os principais componentes tais como o gerador elétrico, caixa multiplicadora de velocidades, eixos, mancais, sistema de freios sistema de controle e mecanismos de giro da turbina. O rotor apresenta geralmente, um conjunto de três pás, podendo ter controle passivo ou ativo das mesmas para operar numa determinada rotação. Na maioria das máquinas o eixo que transmite o torque das pás apresenta uma velocidade de rotação baixa sendo necessário aumentar a rotação utilizando um multiplicador de velocidades de engrenagens. Após o multiplicador é conectado ao gerador elétrico que transforma a energia mecânica em elétrica.

O gerador elétrico pode ser assíncrono (indução) apropriado para trabalhar com rotação constante ou gerador síncrono utilizado em sistemas com rotação variável. Existem também turbinas eólicas de grande porte que utilizam geradores síncronos de imas permanentes que operam com baixa rotação dispensando a caixa multiplicadora.

Figura 2.5 Componentes de uma Turbina eólica de eixo horizontal

Fonte: http://www.howstuffworks.com.br

Como o nome indica, o eixo da TEEH é montado horizontalmente, paralelo ao solo e, para funcionar continuamente, este tipo de turbina precisa se alinhar constantemente com o vento, usando um mecanismo de ajuste. O sistema de ajuste padrão consiste de motoreselétricos e caixas de engrenagens que movem todo o rotor para a esquerda ou direita em pequenos incrementos. O controlador eletrônico da turbina lê a posição da turbina (mecânico ou eletrônico) e ajusta a posição do rotor para capturar o máximo de energia eólica disponível. As TEEHs usam uma torre para elevar os componentes da turbina a uma altura ideal para a velocidade do vento (e para que as pás possam ficar longe do solo) e ocupam muito pouco espaço no solo, já que todos os componentes podem estar a até 80 metros de altura.

Os principais componentes de uma TEEH e suas funções são:

  • Pás do rotor: capturam a energia do vento e a convertem em energia rotacional no eixo;

  • Eixo: transfere a energia rotacional para o gerador;

  • Nacele: é a carcaça, similar às de turbinas de avião, que abriga a caixa de engrenagens, o gerador, a unidade de controle eletrônico, o controlador e os freios:

  • Caixa de engrenagens: aumenta a velocidade do eixo entre o cubo do rotor e o gerador;

  • Gerador: usa a energia rotacional do eixo para gerar eletricidade usando eletromagnetismo;

  • Unidade de controle eletrônico (não mostrada): monitora o sistema, desliga a turbina em caso de mau funcionamento e controla o mecanismo de ajuste para alinhamento da turbina com o vento;

  • Controlador (não mostrado): move o rotor para alinhá-lo com a direção do vento;

  • Freios: detêm a rotação do eixo em caso de sobrecarga de energia ou falha no sistema.

  • Torre: sustenta o rotor e a nacele, além de erguer todo o conjunto a uma altura onde as pás possam girar com segurança e distantes do solo;

  • Equipamentos elétricos: transmitem a eletricidade do gerador através da torre e controlam os diversos elementos de segurança da turbina.

    1. DIMENSIONAMENTO DE UMA TURBINA

      1. Dimensionamento preliminar

Podemos calcular a potência teórica gerada por uma turbina eólica com o objetivo de analisar a viabilidade da instalação da mesma, dadas as informações sobre as condições dos ventos. Esta análise é apenas teórica, já que não considera perdas durante o processo.

Potência é igual ao trabalho (Energia) dividido pelo tempo:

(2.1)

O trabalho realizado pelo ar, neste caso, é igual a sua energia cinética, logo:

(2.2)

Substituído na equação (x), então:

(2.3)

Analisando a relação de massa da massa do ar com a variação do tempo:

(2.4)

Por fim obtemos a equação da potência teórica de uma turbina:

(2.5)

Onde W é o trabalho, Δt é a variação do tempo, Ec é a energia cinética, P é potência, ṁ é a vazão em massa, Q é a vazão em volume, ρ é a densidade do ar, V é a velocidade do ar e A é a área varrida pelas hélices do rotor. Recomenda-se utilizar um fator de multiplicação de 0.5 (η=50%) para o valor da potência, que é o rendimento considerado satisfatório para uma turbina eólica normal.

Com base na equação (2.5) podemos determinar se as dimensões selecionadas são as mais recomendadas e o quando a variação da velocidade do ar influencia no cálculo da potência. Por exemplo, se um ar aumenta sua velocidade de 10 km/h para 11 km/h (aumento de 10% ) a potência se eleva em 33%. Outro exemplo é sobre a área varrida pelo rotor. Com um diâmetro de pás de 3 m e uma velocidade do ar de 32 km/h, obtemos uma potência de 3050 W. Se o diâmetro da hélice aumenta para 6 m sem alteração na velocidade do ar, a potência aumenta para 12200 W.

      1. Dimensionamento real

A análise de uma turbina eólica pode se feita com base em uma hélice operando reversamente. Então, aplica-se o modelo idealizado de Rankine8 ao escoamento unidimensional através da turbina.

Figura 2.5 Volume de controle para uma turbina eólica de horizontal

Fonte: FOX, 2006

(Parte 2 de 3)

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