Energia eólica, como funciona? - Mundo da Elétrica
A energia eólica vem ganhando cada vez mais visibilidade e espaço no mercado por ser uma energia renovável e muito vantajosa, mas você sabe como funciona a energia eólica? Quais as vantagens e desvantagens? No artigo de hoje, o Mundo da Elétrica irá responder as suas dúvidas. Então vamos lá pessoal!
A energia eólica é a energia produzida a partir da energia cinética do vento que movimenta as pás de captadores. A energia cinética do vento geralmente é convertida em energia mecânica por moinhos e cataventos, depois é convertida em energia elétrica por turbinas eólicas ou aerogeradores.
Os sistemas e as usinas eólicas funcionam com uma das tecnologias mais vantajosas ao se tratar de produção de energia renovável. Há muitos anos essa tecnologia funcionava apenas na geração de algumas dezenas de quilowatts, mas atualmente a produção é na casa dos megawatts de potência.
Antigamente a energia eólica não era tão utilizada devido às baixas de potências em trânsito, bem como a falta de controle da potência ativa e reativa. Entretanto, com o desenvolvimento da eletrônica de potência, além dos dispositivos de controle e medição, é possível controlar ativamente os aproveitamentos eólicos.
Aspectos como o controle de tensão, frequência, conteúdo harmónico, ruído eletromagnético, rendimento, potência ativa e reativa são alvos da atenção dos fabricantes de máquinas e equipamentos elétricos que compõem o sistema eólico, de forma a tornarem os seus produtos mais eficientes e atrativos possíveis.
De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), a expansão da geração de energia elétrica cresce a cada ano. Dentre essa produção, a fonte eólica é a que teve o crescimento mais acentuado durante vários meses!
Um sistema eólico é constituído por vários componentes que devem trabalhar em harmonia visando aumentar o rendimento final. Os componentes mais utilizados são:
Rotor: responsável por transformar a energia cinética do vento em energia mecânica de rotação
Caixa de transmissão: responsável por transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até a carga. Alguns geradores não utilizam esse componente e nesse 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, bem como o controle de velocidade e carga
Torre: responsável por sustentar e posicionar o rotor em uma altura conveniente
Sistema de armazenamento: responsável por armazenar a energia a partir de uma fonte intermitente
Transformador: responsável pelo acoplamento elétrico entre o aerogerador e a rede elétrica
Anemômetro: mede a intensidade, a velocidade e a direção do vento
Acessórios: são os componentes periféricos
As turbinas eólicas ou os aerogeradores são equipamentos que utilizam a energia cinética contida no vento para gerar energia elétrica. Os aerogeradores normalmente são classificados pela sua construção em dois tipos: de eixo horizontal, também conhecido como HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine), e de eixo vertical, conhecido por VAWT (Vertical Axis Wind Turbine).
Na imagem abaixo, vemos um esquema de uma turbina eólica.
Esquema de uma turbina eólica.
Para ambas as configurações, os principais componentes são:
Os aerogeradores também podem ser classificados pela potência a eles associada:
Pequeno porte: menor que 50kW
Médio porte: entre 50kW e 1MW
Grande porte: maior que 1MW
Além disso, também há a classificação por número de pás:
Monopá: uma pá
Bipás: duas pás
Tripás: três pás
Multipás: quatro ou mais pás
Em geral, os rotores de eixo vertical têm a vantagem de não necessitarem de mecanismos de acompanhamento para variações da direção do vento, o que reduz a complexidade do projeto. Os rotores de eixo vertical também podem ser movidos por forças de sustentação e por forças de arrasto.
Os principais tipos de rotores de eixo vertical são Darrieus e Savonius. Os rotores do tipo Darrieus são movidos por forças de sustentação e constituem-se de lâminas curvas (duas ou três) de perfil aerodinâmico. Elas são atadas pelas duas pontas ao eixo vertical.
A turbina eólica do tipo Savonius é movida por forças de arrasto e consistem em duas ou três conchas. Olhando de cima para uma turbina de duas conchas ela tem o formato da letra "s" e, por causa da sua curvatura, as conchas sofrem menos arrasto quando se movem contra o vento do que quando se movem a favor do vento.
Essa diferença na força de arrasto gera um momento binário que faz a turbina girar. Por serem turbinas de arrasto, as turbinas tipo Savonius extraem muito menos da potência do vento quando comparadas com turbinas de tamanho similar movidas por força de sustentação.
Na imagem abaixo, é possível observar alguns modelos de turbinas eólicas de eixo vertical.
Turbinas eólicas de eixo vertical.
As principais vantagens de turbinas de eixo vertical são:
Maior facilidade de manutenção, devido ao gerador e a caixa de transmissão serem instalados no solo, gerando também menos esforços na estrutura
Não necessitam de equipamentos que ajustem a turbina com a direção do vento, diminuindo os custos de produção, transporte, montagem e manutenção
Normalmente apresentam menos ruído do que as turbinas de eixo horizontal
São mais adequadas para ambientes com maior turbulência
As principais desvantagens de turbinas de eixo vertical são:
Apresentam menor eficiência do que turbinas de eixo horizontal para uma mesma velocidade de vento
Por serem colocadas normalmente a baixas altitudes, não conseguem aproveitar ventos mais intensos
Possuem cargas aerodinâmicas cíclicas que induzem fadiga ou mesmo a destruição das pás
Maior área de pás para uma mesma potência se comparadas com as turbinas de eixo horizontal
Normalmente requer sistema de arranque
Turbinas de eixo horizontal
Os rotores de eixo horizontal são os mais utilizados! Assim como os de eixo vertical, eles são movidos por forças aerodinâmicas chamadas de forças de sustentação e forças de arrasto.
Os rotores que giram predominantemente sob o efeito de forças de sustentação permitem liberar muito mais potência do que aqueles que giram sob efeito de forças de arrasto para uma mesma velocidade de vento.
Os rotores aerogeradores de eixo horizontal convencionais são predominantemente movidos por forças de sustentação, e possuem mecanismos que permitem que o disco varrido pelas pás esteja sempre em posição perpendicular ao vento.
Tais rotores podem ser constituídos de uma pá e contrapeso, duas pás, três pás ou múltiplas pás. Construtivamente, as pás podem ter as mais variadas formas e empregar os mais variados materiais. Em geral, utilizam-se pás rígidas de madeira, alumínio ou fibra de vidro reforçada.
Uma vantagem das turbinas de eixo horizontal é a capacidade de se construir grandes parques eólicos com turbinas posicionadas de uma forma relativamente compacta, sem afetar significativamente o desempenho de cada uma.
Na imagem abaixo, é possível observar uma turbina eólica de eixo horizontal.
Turbina eólica de eixo horizontal.
As variáveis de estado de uma turbina eólica que interferem no potencial eólico são:
Velocidade do vento (v): essa grandeza de entrada é independente do tipo de aproveitamento eólico e é a variável que porta a energia ao sistema
Parâmetros construtivos: são dimensionados no projeto da turbina eólica, no entanto, o projeto da turbina pode ser alterado pela rotação do ângulo das pás
Velocidade angular da turbina (wr): essa grandeza mecânica de entrada é responsável por melhorar a qualidade da exploração de um aproveitamento eólico, assim como a segurança para elevadas velocidades do vento
Potência mecânica: essa grandeza é o resultado da conjugação das variáveis de entrada. A potência mecânica é regulada pela alteração dos aspectos construtivos ou da velocidade angular da turbina
Os geradores eólicos têm como função a produção de energia elétrica a partir da energia mecânica proveniente da turbina eólica. Os requisitos necessários de um gerador são: a simplicidade do uso, longa duração de utilização, baixa manutenção e baixo custo de investimento. Cumpridos esses requisitos, é escolhido o gerador apropriado.
Devido à robustez necessária dos geradores, os mais encontrados no mercado são os de indução ou os síncronos!
O gerador pode ser ligado diretamente à rede elétrica através de um transformador ou ligado aos conversores eletrônicos de potência. Ele também pode ser ligado à rede de baixa, média ou alta tensão, variando com a tensão nominal do gerador e do transformador.
Os aerogeradores têm diversas formas de controlar a produção, podendo ser realizadas de forma mecânica, alterando a geometria do rotor da turbina, ou soluções elétricas que passam pelo controle dos conversores eletrônicos de potência.
A potência de saída de um aproveitamento eólico depende essencialmente da velocidade do vento, da velocidade da turbina e da capacidade do sistema eólico.
A vantagem dos sistemas eólicos com velocidades variáveis são o controle da variação da velocidade com o objetivo de produzir mais potência, tornando o sistema mais eficiente.
Verifica-se que quanto maior a velocidade de rotação do gerador ou a velocidade do vento, maior será a potência de saída, porém, podemos controlar apenas a velocidade do gerador de forma a produzir sempre maior potência possível.
Os rotores eólicos ao extraírem a energia do vento reduzem a sua velocidade! Isso faz com que a velocidade do vento frontal ao rotor seja maior do que a velocidade do vento atrás do rotor ou na esteira do rotor.
É importante estar atento pois uma redução muito grande da velocidade do vento faz com que o ar circule em volta do rotor, ao invés de passar através dele!
Outro fator importante é o fato que o sistema eólico só começar a funcionar a partir de uma certa velocidade, chamada de velocidade de entrada!
Quando pensamos na criação de usinas para a captação da energia eólica, a principal vantagem é a redução do impacto ambiental!
As usinas eólicas não realizam queima de combustível e nem produzem dejetos que possam vir a poluir ar, solo ou a água. Elas são excelentes formas de gerar empregos e é uma energia válida economicamente.
Apesar de ser uma fonte de energia que não polui e é renovável, é importante ressaltar que ela causa impactos no ambiente, dentre eles podemos citar:
Área de instalação: para que os parques eólicos sejam construídos é necessário utilizar uma enorme extensão de terra para estabelecer determinadas distâncias de segurança
Impacto sonoro: o ruído emitido pelas turbinas em um parque eólico é bem intenso, atingindo decibéis que são classificados como fora do limite permitido e causando poluição sonora
Impacto visual: as turbinas eólicas podem provocar desconfortos visuais, interferindo na estética de paisagens naturais
Impacto na fauna: como as aves têm dificuldades em visualizar o movimento das enormes hélices, o número de mortalidade desses animais em áreas com parques eólicos é muito alto
Interferência eletromagnética: quando existem receptores e transmissores de ondas de rádio e TV próximos aos parques eólicos as hélices refletem grande parte desta radiação eletromagnética prejudicando a qualidade do sinal
Se você deseja aprender mais sobre as usinas de energia elétrica, recomendamos que você assista o vídeo abaixo do canal Mundo da Elétrica! E não se esqueça de deixar um gostei!
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