Turbinas eólicas

Turbinas eólicas

(Parte 3 de 3)

Na figura 2.5, que representa o volume de controle aplicado a uma turbina eólica de eixo horizontal, observam-se três velocidades: a velocidade do vento afastado da turbina, denotada por V, a velocidade da corrente de ar no disco da turbina, V(1-a), e a velocidade do vento após passar pela turbina, V(1-2a). O fator a presente nas duas últimas velocidades representa a desaceleração do ar através da turbina eólica e é chamado de fator de interferência, adimensional, que varia de 0 a 0,5. Dessa forma, uma corrente de ar chega às pás da turbina com determinada velocidade e é desacelerada, movendo-se a jusante com velocidade menor.

Segundo Fox (2006, p.564) “A aplicação direta da equação da quantidade de movimento linear a um VC prevê o empuxo axial numa turbina de raio R como sendo:

FT=2πR2ρV2a(1-a) (2.6)

Onde R é o raio da pá da turbina, em m, ρ a massa específica do ar passando através da turbina, em kg/m3, V a velocidade da corrente de ar a montante da turbina, em m/s, e a o fator de interferência, adimensional.

Sendo a potência o produto de uma força por uma velocidade, tem-se, para a turbina eólica, o produto da força de empuxo axial (fórmula 1) pela velocidade da corrente de ar no disco da turbina, V(1-a), donde resulta:

Pot=2πR2ρV3a(1-a)2 (2.7)

Onde Pot é a potência retirada da corrente de vento, em W. Segundo Fox (2006) o coeficiente de potência ou a eficiência é dada por:

η=4a(1-a)2 (2.8)

Dessa forma, a eficiência teórica máxima ocorre quando a é igual a 1/3 sendo, para esta situação, η=0,593. Essa eficiência é baixa quando comparada a de turbinas hidráulicas. Isso porque, caso o rotor extraísse toda a energia do vento, a velocidade do mesmo após atingir as pás passaria a ser zero. “A Enercon9, da Alemanha, projetou uma pá de rotor para turbina eólica que atingiu uma eficiência de 56%, aproximando-se do limite teórico de Betz, de 59,3%.” (HINRICHS, 2010, p.463)

Deve-se ressaltar que a eficiência de 59,3% é um limite teórico. Isso porque, o modelo de Rankine, inclui certas hipóteses que limitam seu uso: admite-se que a turbina afeta apenas o ar contido no volume de controle da figura 2.5, gradientes radiais de pressão são desprezados bem como a energia cinética de redemoinho atrás da turbina.

    1. ANÁLISE CRÍTICA DA UTILIZAÇÃO DE TURBINAS EÓLICAS

Quando se deseja utilizar turbinas eólicas, devem ser analisados diversos fatores que influenciam diretamente na viabilidade do uso, principalmente quando se trata de um número grande de turbinas a serem instaladas em um mesmo local.

O local escolhido para a instalação das turbinas deve ser cuidadosamente vistoriado a fim de avaliar a disponibilidade e a freqüência dos recursos eólicos. Essa vistoria normalmente é feita através de coleta de dados meteorológicos e medições que podem durar vários meses.

Existe a necessidade de uma avaliação ambiental, verificando as condições do solo e analisando se o local não faz parte da rota de aves migratórias e até mesmo se não é reduto de animais ou aves em extinção.

Após o detalhamento preliminar do parque eólico, quando é definida a quantidade de material para a construção, podem ser calculados os custos da instalação das turbinas e também os custos de transporte, que podem tornar-se demasiadamente elevados, dependendo do acesso ao local de instalação. A necessidade de contratação de mão e obra terceirizada também deve ser incluída nos custos do projeto.

As vantagens de uma turbina eólica são:

  • É uma fonte de energia segura e renovável;

  • Não polui o ambiente;

  • Suas instalações são móveis, e quando retirada, pode-se refazer toda a área utilizada;

  • Tempo rápido de construção (menos de 6 meses);

  • Recurso autônomo e econômico;

  • Poupança devido à menor aquisição de direitos de emissão de CO2 por cumprir o protocolo de Quioto e diretivas comunitárias e menores penalizações por não cumprir;

  • Possível contribuição de cota de geração de energia elétrica para outros setores da actividade econômica;

  • É uma das fontes mais baratas de energia podendo competir em termos de rentabilidade com as fontes de energia tradicionais.

  • Os parque eólicos são compatíveis com outros usos e utilizações do terreno como a agricultura e a criação de gado;

  • Geração de investimento em zonas desfavorecidas;

  • Benefícios financeiros para os proprietários do local de instalação.

Entre as desvantagens, citamos:

  • Impacto visual: sua instalação gera uma grande modificação da paisagem;

  • Influência sobre as aves e insetos do local; principalmente pelo choque delas nas pás;

  • Impacto sonoro: o som do vento bate nas pás produzindo um ruído constante de aproximadamente 43 dB(A), devido a isso, as turbinas eólicas devem ser instaladas a uma distância mínima de 200m das residências do local.

  • Baixo rendimento de potência quando comparadas, principalmente, às turbinas hidráulicas;

  • Em alguns casos, podem causar interferências eletromagnéticas nas ondas de rádio e telecomunicação;

3.CONSIDERAÇÕES FINAIS

As turbinas eólicas, como parte integrante de um sistema de produção de energia de fonte renovável, tendem a tornar-se cada vez mais presentes nas nossas vides. São grandes os estudos de matérias primas e tecnologias que possam viabilizar cada vez mais a utilização destes equipamentos, seja por redução de custos ou por melhoria no funcionamento e rendimento.

Estes equipamentos que outrora dependiam de produção manual, de tecidos, metais e tinham funcionamento restrito, hoje estão entre os mais visados quando o assunto é inovação tecnológica. A indústria de fabricação em série, indústria eletrônica, materiais compósitos, aerodinâmica e meteorologia, são os principais responsáveis pela evolução observada na geração de energia eólica. Nos apêndices destacamos algumas inovações recentes na área de energia eólica.

REFERÊNCIAS

FOX, Robert W.; McDONALD, Alan T.; PRITCHARD, Philip J. Mecânica dos Fluidos. 6 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006.

HINRICHS, Roger A.; KLEINBACH, Merlin; REIS, Lineu Bélico dos. Energia e meio ambiente. Tradução Lineu Bélico dos Reis, Flávio Maron Vichi, Leonardo Freire de Mello. 4 ed. São Paulo: Cengage Learning, 2010.

BRAN, Richard; DE SOUZA, Zulci. Máquinas de Fluxo: turbinas, bombas, ventiladores. Rio de Janeiro: Ao Livro Técnico, 1969.

GASCH, R; TWELE. J. Wind Power Plants: fundamentals, design, construction and operation. Berlin: Solarpraxis, 2002.

BURTON, Tony. Wind energy: handbook. Chichester: John Wiley & Sons, 2006.

JOHNSON, Richard W. The handbook of fluid dynamics. Boca Raton: CRC PRESS, 1998

ANEEL - AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Atlas de Energia Elétrica do Brasil: 3ª. Ed. Brasília: 2008.

PONTES, Beatriz Maria Soares. Atlas das potencialidades brasileiras: Brasil grande e forte. São Paulo: Melhoramentos, 1974.

SITES

http://www.eolica.com.br, acessado em 06 de Outubro de 2010

http://www.aneel.com.br, acessado em 19 de Outubro de 2010

http://www.howstuffworks.com, acessado em 06 de Outubro de 2010

http://www.fuhrlaender.de/, acessado em 14 de Outubro de 2010

http://www.flodesign.org, acessado em 11 de Outubro de 2010

http://www.eole.org, acessado em 18 de Outubro de 2010

http://www.telosnet.com, acessado em 13 de Outubro de 2010;

http://en.wikipedia.org/wiki/Windmill, acessado em 16 de Outubro de 2010;

SOFTWARES

MathCad 20000.

ANEXOS

ANEXO A

INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS E CURIOSIDADES

Fazenda de energia eólica vai armazenar vento em rochas10.

A maioria das fazendas de geração de energia eólica passa por períodos nos quais o vento é mais forte do que o necessário, principalmente à noite. Essa energia extra será utilizada para alimentar enormes compressores de ar, que enviarão o ar comprimido por meio de um túnel para uma camada de arenito localizada a cerca de 1.000 metros de profundidade.

O arenito é uma rocha extremamente porosa e, a essa profundidade, fica encharcado de água. O ar sob pressão ficará armazenado nesses poros, expulsando a água. O arenito fica localizado entre camadas de argila, que funcionam como um lacre que não deixa o ar escapar. Nos momentos de pico de demanda, quando mais energia é necessária, o ar comprimido nessas rochas profundas será então redirecionado para a superfície, sendo utilizado para gerar eletricidade.

A usina não é inteiramente movida pela energia do vento. Ela é na verdade uma usina híbrida, que utiliza energia eólica e uma turbina movida a gás natural. O ar-comprimido consegue elevar o rendimento da turbina em até 60%. A usina deverá entrar em operação em 2011.

Energia do vento vai evitar emissão de 1,5 bi de toneladas de CO211.

Estudo divulgado pelo Conselho Mundial de Energia Eólica estima que a energia gerada a partir dos ventos atenderá 12% da demanda elétrica mundial em 2020 e até 22% em 2030. O trabalho, em conjunto com o Greenpeace International, prevê que o mundo terá 1.000 GW em operação daqui a dez anos, evitando a emissão de 1,5 billhão de toneladas anuais de dióxido de carbono (CO2), o principal gás de efeito estufa.

Além dos benefícios para o meio ambiente, a energia eólica já oferece 600 mil empregos diretos e indiretos. Até 2030, a projeção é de que supere 3 milhões de vagas em todo o mundo.

Este ano, um aerogerador é colocado em operação a cada 30 minutos. Uma em cada três turbinas está sendo instalada na China, informou Sven Teske, especialista de energias do Greenpeace Internacional. A China é o maior mercado mundial de energia eólica e tem a maior indústria de aerogeradores.

Super turbina eólica utiliza levitação magnética para produzir até 1 GW12

A empresa MagLev apresentou na China aquela que poderá ser a solução tecnológica que faltava para a viabilização econômica da energia eólica. Com um design totalmente diferente dos tradicionais cataventos, a turbina MagLev utiliza levitação magnética para oferecer um desempenho muito superior em relação às turbinas tradicionais.

As pás verticais da turbina de vento são suspensas no ar acima da base do equipamento. Ao invés se sustentarem e de girarem sobre rolamentos, essas pás ficam suspensas, sem contato com outras partes mecânicas - e, portanto, podem girar sem atrito, o que aumenta exponencialmente seu rendimento.

A turbina utiliza ímãs permanentes, e não eletroímãs, que poderiam diminuir seu rendimento líquido, já que uma parte da energia gerada seria gasta para manter esses eletroímãs em funcionamento.

Segundo a empresa, a turbina MagLev consegue gerar energia a partir de brisas de apenas 1,5 metros por segundo e consegue suportar até vendavais de até 40 metros por segundo - o equivalente a 144 km/h.

Segundo a empresa, a nova turbina gera 20% a mais de energia em relação à turbinas convencionais e tem um custo de manutenção 50% menor. Ainda segundo as estimativas do seu fabricante, uma super-turbina eólica que utiliza levitação magnética poderá funcionar continuamente por... 500 anos.

1 Ohio, Estados Unidos.

2 Região central da Dinamarca.

3 Cidade situada na região central da Alemanha, distante 125 km de Hannover.

4 Cadeia de Montanhas do sul da Alemanha.

5 Cidade situada na região central/sul da Dinamarca, distante 88 km de Copenhague.

6 National aeronautics and space administration.

7 Gustave-Gaspard Coriolis, engenheiro francês que desenvolveu a teoria das forças perpendiculares à direção do movimento.

8 William John Macquorn Rankine, engenheiro e físico escocês.

9 Enercon GmbH. Maior empresa alemã de fabricação de turbinas eólicas.

10 Notícia publicada em www.inovacaotecnologica.com.br em 8 de Outubro de 2007.

11 Notícia publicada em www.correiodoestado.com.br em 18 de Outubro de 2010

12 Notícia publicada em www.inovacaotecnologica.com.br em 30 de Novembro de 2007

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