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Generalidades sobre energia eólica
Postado em 17:21h em Artigos	por	Victor Luiz Merlin 0 Comentários
O vento, movimento do ar na atmosfera terrestre, é a fonte primária do sistema de energia eólica. Esse movimento do ar é gerado principalmente pelo aquecimento da superfície da Terra nas regiões próximas ao Equador e pelo resfriamento nas regiões dos pólos. Dessa forma, os ventos das superfícies frias circulam dos pólos em direção ao Equador para substituir o ar quente tropical que, por sua vez, desloca-se para os pólos.
O vento é influenciado pela rotação da Terra, provocando variações sazonais na sua intensidade e direção, e pela topografia do local. Para utilizar a energia dos ventos de maneira eficiente na geração de energia, é necessário medir a direção e a intensidade dos ventos. Essas medições são feitas normalmente com anemômetros instalados em alturas variadas dependendo do relevo e da finalidade da medição. É possível fazer estimativas do comportamento dos ventos utilizando-se o tratamento estatístico dos dados obtidos (CASTRO, 2005).
No tratamento desses dados, a curva mais importante (geradora de outras curvas) é a curva da freqüência das velocidades, que fornece o período de tempo (percentual) em que uma velocidade foi observada. Dessa curva deriva-se também a curva de energia disponível (Wh/m²), também conhecida como potência média bruta ou fluxo de potência eólica. Outras curvas importantes são as que fornecem o período de calmaria e a ventos fortes.
Caso não exista disponibilidade de uma curva de freqüência de velocidade do vento, as velocidades podem ser projetadas a partir da velocidade média, utilizandose a modelagem matemática baseada na distribuição de Rayleigh.
Conhecer a velocidade média do vento é fundamental para a estimativa da energia produzida, porque os aerogeradores começam a gerar numa determinada velocidade de vento e param de gerar quando a velocidade ultrapassa determinado valor de segurança. Além disso, a velocidade média do vento é fator determinante para o dimensionamento do sistema de armazenamento (BLASQUES, 2005).
A quantidade de trabalho que um sistema físico é capaz de realizar, durante certo período de tempo, denomina-se energia. Então a energia não pode ser criada, nem consumida ou destruída, mas ela pode ser convertida ou transferida para outras formas: a energia cinética do movimento das moléculas do ar pode ser convertida em energia de movimento pelo rotor de uma turbina eólica, que por sua vez pode ser convertida em energia elétrica por um gerador acoplado à turbina. Em cada uma destas conversões uma parte da energia original é convertida em energia calorífera (BLASQUES, 2005).
A turbina eólica também é chamada de conversor de energia eólica, e sua performance é medida em termos da quantidade de energia eólica que ela pode converter da energia cinética do vento. Normalmente, essa energia é medida em quilowatts-hora (kWh) ou megawatts-hora (MWh) durante um certo período de tempo, geralmente uma hora, um mês ou um ano.
A potência elétrica é medida em Watt (W), quilowatt (kW), megawatt (MW), etc.. Potência é a energia transferida por unidade de tempo e pode ser medida em qualquer instante, enquanto que a energia tem de ser medida durante um certo período de tempo: um segundo, uma hora ou um ano. Exemplo: uma turbina de 10 kW pode produzir 16.000 kW anualmente, suficiente para alimentar uma residência de bom porte. Uma turbina de 1,65 MW pode produzir cerca de 4,7 milhões de kW em um ano, suficientes para abastecer uma pequena comunidade.
Se uma turbina eólica tem potência de 600 kW, isto significa que ela produz 600 kW de energia por hora de operação, na sua máxima performance. Se um local tem 1.000 MW de potência instalada, este valor não traduz a quantidade de energia produzida (GARCIA, 2004).
Algumas relações entre unidades:
1 kW = 1.359 HP;
1 MW = 1.000 kW = 1.000.000 W;
1 J (joule) = 1 Ws = 41.868 cal;
1 kWh = 3.600.000 J;
Energia eólica e sua origem
No século VII, na Pérsia, moinhos movidos por vento já eram utilizados para moer grãos. Esses moinhos, onde a roda das pás (hélices) era horizontal e sustentada por um eixo vertical, não eram eficazes.
Na Europa, os primeiros moinhos surgiram no século XII na França e Inglaterra. Como características comuns, eles possuíam na sua parte superior um eixo horizontal que suportava de quatro a oito vigas de madeira com comprimento e 3 a 9 metros. As vigas eram cobertas com telas ou pranchas de madeira e a energia gerada pelo giro do eixo era transmitida por um sistema de engrenagens para as máquinas do moinho, instaladas na base da estrutura.
O desenvolvimento dos moinhos de vento sofre uma parada com o advento da revolução industrial do século XIX, onde a fonte de energia principal é direcionada para o vapor, a eletricidade e os combustíveis fósseis. Entretanto, na segunda metade do século XIX surge o moinho de pás múltiplas, tipo americano, considerado um dos mais importantes avanços na tecnologia de aproveitamento do vento, utilizado praticamente em todo o mundo para o bombeamento de água e cujas características serviram de base para o projeto dos modernos geradores eólicos (CASTRO, 2005).
A partir daí, outras aplicações foram desenvolvidas para os moinhos: serrarias, fábricas de papel e prensa de grãos para produção de azeite.
Melhoramentos foram introduzidos na aerodinâmica das pás e freios hidráulicos utilizados para deter o movimento das hélices. A aplicação de turbinas eólicas para geração de eletricidade iniciou-se na Dinamarca, ao final do século XIX.
O primeiro aerogerador de grande dimensão foi construído na França em 1929, e era constituído de duas pás com 20 metros de diâmetro. Após algum tempo em operação, ele foi destruído por uma tormenta. Nessa época foram construídos diversos aerogeradores de grandes dimensões, com diâmetros variando entre 30 a 53 metros. Todos foram destruídos por tormentas. Os problemas estruturais para enfrentar ventos de grande intensidade foram corrigidos e atualmente existem diversos aerogeradores com capacidade de 2.500 kW, diâmetro de pás até 93 metros, funcionando há mais de 20 anos (CRESESB 1, s.d.).
O princípio de funcionamento do gerador eólico-elétrico é o mesmo do gerador hidrelétrico. Nas usinas hidrelétricas o fluxo de água é utilizado para girar o rotor de uma turbina, e a turbina aciona o eixo de um gerador para produzir eletricidade. Na energia eólica, o fluxo de ar provocado pelo vento é que impele o rotor de uma turbina; o rotor gira e aciona o eixo de um gerador elétrico. A principal diferença entre os dois sistemas é que o ar possui densidade menor do que a água, e por isso o diâmetro da turbina eólica deverá ser muito maior. Outra diferença é que o vento se apresenta melhor distribuído na natureza do que os rios, além de não ser necessário canalizá-lo.
As turbinas modernas são acionadas por arraste, onde o vento empurra as hélices, ou por elevação, onde as hélices atuam de modo parecido com as asas do avião através de uma corrente de ar. As turbinas que funcionam por elevação trabalham com maior velocidade de rotação e são mais eficazes em relação as turbinas acionadas por arraste.
Princípio aerodinâmico da turbina eólica
Fonte: SALA DE FÍSICA, s.d.
A figura ilustra o princípio aerodinâmico de uma turbina eólica com eixo horizontal. O vento passa em ambas as faces do plano de sustentação da palheta (lâmina) da hélice. A velocidade do vento é maior na face com superfície mais extensa (face superior) da palheta, criando uma área de baixa pressão sobre o plano de sustentação. A pressão diferencial entre as superfícies superior e inferior resulta numa força, chamada de elevação aerodinâmica. Nas asas de um avião essa força provoca a "subida" do plano de sustentação, possibilitando a decolagem e o vôo.
As palhetas de uma turbina eólica são construídas para girar num plano em torno do cubo1 da hélice, constituindo um movimento de rotação. Existe outra força, chamada de arraste, que é perpendicular à força de elevação. A força de arraste se opõe ao movimento de rotação. O principal objetivo no projeto de uma turbina eólica é que a palheta da hélice tenha uma alta relação entre elevação e arraste. Esta relação pode variar ao longo do comprimento da palheta, otimizando a energia produzida para diversas velocidades do vento (CRESESB 1, s.d.).
As turbinas podem ter eixo principal paralelo ao solo, chamada de eixo horizontal, e eixo vertical, perpendicular ao solo, conforme mostrado na figura; As turbinas de eixo horizontal utilizadas para gerar eletricidade têm de uma a três hélices, enquanto as utilizadas para bombeamento de água podem ter várias hélices (PEREIRA, 2002).
Turbinas de eixo vertical (a) e horizontal (b)
Fonte: ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2002
A turbina eólica de eixo vertical pode ter projeto baseado na elevação ou arraste. O sistema em arraste é semelhante ao trabalho realizado pelo remo para impulsionar uma canoa na água. Supondo remadas perfeitas (sem deslizamento do remo em relação à água), a velocidade máxima é praticamente a mesma que a velocidade da remada. O mesmo acontece com a ação do vento. O anemômetro de pás, dispositivo comum para a medição da velocidade do vento, é um rotor de eixo vertical baseado em arraste. Se a velocidade das pás for exatamente a mesma da velocidade do vento, podemos afirmar que o instrumento está operando na razão de velocidade máxima 1 (TSR – Tip Speed Ratio). As pás do anemômetro nunca podem ter velocidade superior à do vento, assim TSR é sempre menor ou igual a 1.
Uma forma de determinar se uma turbina eólica de eixo vertical é baseada em arraste ou elevação, é verificar se o TSR pode ser maior que 1. Um TSR acima de 1 significa alguma quantidade de elevação, enquanto TSR abaixo de 1 significa maior ênfase em arraste. Os projetos baseados em elevação geralmente fornecem maior potência, aliado a maior eficiência.
O rotor Savonius, mostrado na figura 3.5, é um exemplo de sistema eólico com eixo vertical baseado em arraste. Ele possui baixa velocidade e alto torque, sendo utilizado na moagem de grãos e bombeamento de água, mas não para gerar eletricidade. Para gerar eletricidade, o número de rotações por minuto deve ser superior a 1.000, enquanto que os projetos baseados em arraste possuem velocidade abaixo de 100 rpm. No Savonius, a utilização de engrenagens para multiplicar a velocidade de rotação causa perda de eficiência e dificuldade para ultrapassar a inércia de partida.
Turbinas eólica Savonius
A primeira turbina eólica operada automaticamente para geração de energia elétrica foi construída por Charles Brush (1849 – 1929) em 1888. O diâmetro do seu rotor tinha 17 m e possuía 144 pás de madeira. O gerador tinha 12 kW e funcionou por 20 anos, carregando um sistema de baterias. A desproporção entre o tamanho da turbina e a capacidade do gerador era devido ao tipo de sistema com elevado número de pás, proporcionando baixa velocidade (PEREIRA, 2002).
Paul de la Cour (1846 – 1908) foi um dos pioneiros da aerodinâmica moderna, tendo construído seu próprio túnel de vento para experimentos. Ele descobriu que turbinas com menos pás, mais rápidas, são mais eficientes para a produção de eletricidade.
Turbina eólica de Paul de la Cour
Fonte: TIMS, 1998
No ano de 1980 surgiu a máquina Darrieus, mostrado na figura. Este sistema eólico com eixo vertical é baseado em elevação, onde cada palheta recebe torque máximo somente duas vezes por revolução. Dessa forma, a potência de saída é elevada e senoidal. Algumas freqüências naturais de vibração devem ser evitadas durante a operação de rotor Darrieus com palhetas longas. Um dos principais problemas deste sistema é a montagem sobre torres pois a utilização de estaiamento para manter a turbina ereta provoca a ação de forças sobre os rolamentos da turbina (PEREIRA, 2002).
Fonte: UNICAMP, 1996
Na mesma época foi desenvolvido um modelo de grande porte muito popular na Europa, conhecido como Bônus 300 kW. A máquina Twind de 2 MW possui rotor com diâmetro de 54 m girando em velocidade variável, acoplado a um gerador síncrono.
Bônus 300 kW
A turbina NEG Micon de 22 MW foi desenvolvida em 1999, possui rotor com diâmetro de 72 m. A figura 3.9 mostra a instalação de Hagesholm, Dinamarca, com a turbina montada numa torre de 68 m e fundações para receber mais duas turbinas.
Turbina NEG Micon 2MW, Hagesholm, Dinamarca
Desenvolvimentos tecnológicos buscam a redução de custos por meio de conceitos simplificados, tais como: utilização de potências modulares, projetos sem caixa de multiplicação e sistemas com orientação livre. As pesquisas também incidem sobre a redução de cargas por meio de articulações e com sistemas de velocidade variável, e controle que reduza as flutuações. Ao mesmo tempo, há uma preocupação em reduzir a poluição visual e sonora (CRESESB 1, s.d.).
O material tradicionalmente utilizado para a fabricação de hélices é a fibra de vidro. Existe uma tendência para a utilização de epóxi (resina de poliéster) reforçado com fibras de vidro ou carbono. Outra possibilidade é utilizar aramida (kevlar) como material de reforço, mas é um material ainda antieconômico para turbinas de grande dimensão. Alguns fabricantes de aerogeradores de pequeno porte utilizam madeira para confecção de hélices.
a) Aerogerador de grande porte
Esquema básico de uma turbina eólica
Fonte: CRESESB 1, s.d.
As principais partes componentes de uma instalação eólica para geração de eletricidade são (CRESESB 1, s.d.):
cubo: constitui elemento de conexão das pás com o eixo do rotor transmitindo forças, conjugados e vibrações;
pás: o conjunto de pás, na maioria dos casos igual a três, é denominado rotor. Visando o uso em máquinas para geração de eletricidade, as pás devem conciliar uma série de características, entre as quais podem ser citadas: leveza, rigidez, e um bom rendimento aerodinâmico. Na maior parte das aplicações, as pás são produzidas assumindo contorno retangular ou trapezoidal, sendo este último a forma mais usada em unidades de médio e grande porte devido ao alto rendimento aerodinâmico. Quanto ao comprimento, as pás variam de cerca de 0,40 metros para unidades de 100 W de potência até cerca de 52 metros para unidades com 6 MW de potência. Quanto ao material de fabricação, pás modernas usam na maioria dos casos compostos de epoxy e polyester reforçados com fibra de vidro;
eixo do rotor: nas unidades eólicas que não possuem engrenagens, o eixo do rotor representa o próprio eixo do gerador elétrico; caso contrário, a caixa de engrenagem realiza o casamento entre o eixo do rotor e o eixo do gerador;
caixa multiplicadora de rotação: presente na maioria das instalações interligadas à rede elétrica funciona como elemento de ligação entre a baixa rotação das pás e a elevada rotação do gerador elétrico. Se a caixa de engrenagens possui apenas uma relação de velocidade, o projeto deve ser realizado considerando a velocidade do vento mais provável no local da instalação do ponto de vista estatístico. Algumas unidades dispensam o uso de engrenagens através do uso de gerador elétrico com elevado número de pares de pólos; gerador elétrico: elemento responsável pela geração de eletricidade.
Em geral, são empregadas máquinas de indução ou síncronas convencionais para unidades de média e grande potência; para unidades de pequena potência são empregadas também máquinas síncronas com excitação de ímãs permanentes.
unidades de controle: responsáveis por diferentes tarefas, como o acionamento do deslocamento angular das pás em torno do eixo e do acompanhamento da direção do vento pela nacele; circuitos eletrônicos: estes componentes assumem diversas tarefas, como o desacoplamento elétrico entre o gerador e a rede através de circuitos retificadores, inversores, visando a operação em velocidade variável das turbinas e a entrega de eletricidade dentro das exigências de qualidade de energia;
anemômetro: mede a velocidade do vento e transmite a informação para o controlador;
freio: utilizado em emergência, pode ser aplicado por meio mecânico, elétrico ou hidráulico;
controlador: aciona e desliga a máquina quando a velocidade do vento atinge certos valores estabelecidos pelo fabricante da turbina eólica. Certas turbinas não podem operar com velocidade do vento acima de 29 m/s (depende do fabricante) porque o gerador sofre sobreaquecimento e as estruturas ficam mais sujeitas ao processo de fadiga. Até pouco tempo, o controlador da turbina era utilizado basicamente para reduzir sua velocidade ou comando de parada, prevenindo a sobrevelocidade e a vibração na ocorrência de vento muito forte. Atualmente, estão sendo desenvolvidos controladores inteligentes que otimizam a operação da turbina. Eles utilizam microprocessadores que analisam continuamente as condições do vento e a operação da turbina. O controlador ajusta a operação de modo a otimizar a quantidade de potência gerada, protegendo a máquina do desgaste excessivo e assegurando maior vida útil, além de garantir operação segura;
nacele: compartimento (estrutura de proteção) do conjunto contendo a engrenagem, eixo de baixa e alta velocidade, gerador, controlador e freio (todo o mecanismo do gerador). Em aerogeradores de grande porte, a nacele contém acessórios de manutenção e permite acesso de técnicos ao se interior;
passo: giro controlado das pás, alterando o seu perfil frente ao impacto do vento. Com isso, a velocidade de operação da turbina pode ser controlada; rotor: composto pelas pás e o cubo frontal de interligação entre pás e eixo de acionamento;
veleta (sensor de vento): fornece a medida de orientação do vento que aciona o dispositivo que posiciona a face da turbina;
torre: constitui o elemento de sustentação da nacele, compartimento no interior do qual estão localizados a caixa de engrenagens e o gerador elétrico. As primeiras torres de treliça deram lugar para torres de aço, com alturas que podem chegar a 124 metros. Os cabos que conduzem a corrente elétrica da turbina, através da torre, podem ser danificados por excesso de torção caso o dispositivo de orientação fique acionado somente num sentido. Para evitar isso, a turbina é equipada com um contador de giro dos cabos, que informa ao controlador a necessidade de inverter a direção de giro e distorcer os cabos. O sistema de segurança para torção dos cabos é redundante: se os cabos estão muito torcidos, uma chave de parada de emergência independente do controlador é acionada. A performance da turbina eólica depende principalmente da velocidade do vento e diâmetro do rotor. A tabela 3.1 fornece uma relação estimada entre esses dois fatores e a saída da turbina, em Watt-hora/dia.
a) Aerogerador de pequeno porte
Figura 3.11 – Esquema básico de um aerogerador de pequeno porte.
Fonte: AIRX, 2001.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM AEROGERADOR
O princípio de funcionamento do aerogerador, descrito na figura 3.12, compreende dois processos de conversão, que são: o rotor, que retira a energia cinética do vento e a converte em conjugado mecânico, e o gerador, que converte o conjugado mecânico em eletricidade (PEREIRA, 2006).
Princípio básico de funcionamento de um aerogerador
Diagrama de blocos simplificado de um aerogerador
Fonte: LEITE, 2005
A transformação da energia mecânica em elétrica por meio de geradores eletromecânicos é um problema tecnologicamente dominado, existindo vários fabricantes destes equipamentos disponíveis no mercado, citados no item 3.8. Alguns problemas prejudicam a integração dos sistemas eólicos aos geradores, podendo citar (CRESESB 1, s.d., LEITE, 2005):
variações na velocidade do vento;
variações do torque de entrada;
controle de freqüência e tensão;
Aerogeradores de pequeno porte normalmente são destinados à eletrificação de pequenos consumidores e ao carregamento de baterias. As tensões de funcionamento mais comuns são de 12 e 24V, podendo ser encontradas tensões maiores. São fundamentalmente constituídos por geradores de corrente alternada, necessitando de sistemas de retificação para armazenamento da energia, porém, dispõem de diodos retificadores para converter a tensão alternada de saída em uma tensão contínua (GARCIA, 2005).
Atualmente, em aerogeradores de pequeno porte, utiliza-se a tecnologia de geradores com ímãs permanentes, que dispensam o uso de escovas. A utilização desta tecnologia diminui consideravelmente a sua manutenção, uma vez que não tem necessidade de efetuar a troca das escovas (elemento de alto desgaste por atrito mecânico) (ELETRICISTA, 2004).
Não se utiliza aerogeradores em série. A associação paralela é utilizada para a obtenção de maiores potências, embora existam no mercado aerogeradores com as principais potências para várias aplicações. A figura mostra o comportamento teórico do sistema que forma o aerogerador, determinado pela interseção entre as curvas da turbina para diferentes velocidades e a curva do gerador elétrico para as mesmas rotações, como mostrado em (a) gerando a curva mostrada em (b). Essa relação é conhecida como curva característica do aerogerador ou curva de potência.
Curva característica do gerador para diferentes rotações (b) Curva de potência do aerogerador em função da velocidade do vento
Fonte: GARCIA, 2005
A curva de potência reconhecida é aquela obtida experimentalmente. A figura 3.15 mostra a curva característica típica de aerogeradores, onde a potência é incrementada com o aumento da sua rotação (aumento da velocidade do vento) até um ponto em que a alta rotação dificulta a passagem do vento pela turbina, e mesmo com o aumento da rotação a potência produzida se mantêm constante ou até mesmo diminui, chegando a um ponto em que velocidades muito altas cortam a produção de energia.
Curva de potência típica de aerogeradores
Fonte: CAMARGO, 2005
Para começar a girar e se manter em movimento, o aerogerador precisa de uma potência de vento suficiente para sobrepor o chamado torque de arranque. Após arrancar, a máquina pode precisar de uma velocidade ainda maior para começar a produzir eletricidade, devido ao fato do gerador elétrico necessitar atingir uma rotação mínima. Esta velocidade do vento é conhecida como velocidade de início de geração ou velocidade de partida.
A partir da velocidade de partida, a potência produzida pelo aerogerador aumenta até atingir o valor definido como potência nominal, estando o gerador operando em velocidade nominal. Isto não significa necessariamente que a máquina esteja fornecendo sua máxima potência. A partir do ponto de máxima potência mudará o comportamento da máquina, alteração devida ao fato da turbina estar "presa" ao seu eixo, e a força das altas velocidades do vento a deforma, piorando suas características aerodinâmicas e diminuindo a potência produzida.
Um aerogerador pode possuir diversos sistemas de controle, destacando-se o controle de velocidade e de orientação do rotor. A velocidade é regulada principalmente pelos controles de passo e estol. As pás de alguns aerogeradores podem girar sobre o eixo que as fixa ao rotor da turbina devido à ação do vento. Essa característica mantém a rotação do aerogerador e conseqüentemente não permite aumento na potência produzida.
Essas máquinas são chamadas de passo variável. As que não possuem este sistema são conhecidas como de passo fixo. A figura a seguir mostra as curvas características idealizadas de dois aerogeradores com e sem regulação do passo das pás, comprovando a diferença de comportamento depois de atingida a velocidade nominal. Entre as velocidades de início de geração (Vv0) e nominal da máquina (Vvn), os aerogeradores com e sem regulação de passo tem comportamento semelhante, a partir da velocidade nominal, a máquina de passo variável mantêm a potência gerada constante (GARCIA, 2005).
Curva de potência de aerogeradores com e sem regulação de passo das pás
Como já foi dito anteriormente, para velocidades de vento muito altas o aerogerador não deve continuar funcionando, pois a elevada rotação pode causar alguns danos à máquina e encurtar sua vida útil, além de que a máquina poderia cair pela força do vento. Por esse motivo, contam com um sistema de proteção que em alguns casos "afastam" o aerogerador da direção do vento, outros torcem as pás até ângulos elevados diminuindo a ação do vento. A velocidade na qual isso acontece é denominada velocidade de saída ou velocidade de corte (Vvs) (GARCIA, 2005)
As velocidades do vento mencionadas modificam a curva que representa a curva característica teórica do gerador elétrico, como foi mostrado na figura, obtendo-se como resultado a curva característica do aerogerador.
O controle da orientação do rotor, para máquinas de pequeno porte, é feito empregando modelos aerodinâmicos ao desenho do aerogerador. A esse desenho é adaptado um leme simples, como mostra a figura (aerogerador de pequeno porte), que mantém o equipamento sempre direcionado no sentido do vento predominante (PEREIRA, 2004).
Exemplos de aerogeradores de pequeno, médio e grande porte
Fonte: ANEEL, 1998
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