Especificações de projeto

A energia cinética bruta por unidade de tempo, potência, do vento passando por uma área A perpendicular ao seu vetor velocidade instantânea V, é dada por:

P = Cp 1/2 r .A.V³

onde :

r= densidade do ar, que varia com a latitude e as condições atmosféricas; r = 1.2kg/m³;

Cp= é o coeficiente da performance que se relaciona com a energia cinética de saída e depende do modelo e na relação entre a velocidade do rotor e a velocidade do vento.

V = velocidade do vento em m/s².

A energia potencial da turbina eólica depende do cubo da velocidade do vento; isto significa, por exemplo, que se a velocidade do vento em um local dobrar, a energia potencial de saída de uma turbina eólica é multiplicada por 8 (dois ao cubo ). Esta sensibilidade da energia com a velocidade do vento mostra a importância na obtenção dos dados do vento para a estimativa da energia disponível.

A velocidade média anual é um bom parâmetro para pesquisar o vento.:

Distribuição potencial dos ventos na região dos lagos

A velocidade do vento decresce à medida que se aproxima da superfície da terra devido à fricção entre o ar e a solo. A quantidade de decréscimo depende da rugosidade do solo; por exemplo, áreas florestais têm menor escoamento de ar que áreas descampadas.

Quaisquer obstáculos tais como moitas, árvores e construções reduzem significativamente a velocidade do vento e montanhas podem gerar ventos muito turbulentos concentrados num local.

 Em Cabo Frio não existe o problema do vento, já que podemos ver pelo mapa do potencial eólico da Região dos Lagos.

1 Rotor

Componente destinado a captar energia cinética dos ventos e convertê-la em energia mecânica no eixo. Se o eixo do rotor for posicionado horizontal ou verticalmente, teremos um rotor de eixo horizontal ou um rotor de eixo vertical.

Rotor de eixo horizontal

Rotores de eixo horizontal são movidos por forças aerodinâmicas chamadas de forças de “lift” e forças de “drag”. Um corpo que obstrui o movimento do vento, sofre a ação de forças perpendiculares ao fluxo de vento relativo ( forças de “lift” ) e de forças paralelas ao fluxo de vento relativo ( forças de “drag”, de arraste). Ambas as duas são proporcionais ao quadrado da velocidade relativa do vento. Adicionalmente, forças de “lift” dependem fortemente da geometria do corpo e do ângulo entre a velocidade relativa do vento e o eixo do corpo, dito “ângulo de ataque”.

Rotores que giram predominantemente sob forças de “lift” permitem liberar muito mais potência do que aqueles que giram sob o efeito de forças de “drag”, para uma mesma velocidade do vento.

Os sistemas com eixo horizontal, perpendicular ao fluxo do vento, por um lado são movidos predominantemente por forças de “lift” e devem ser montados sobre uma gávea giratória provida de movimento em torno de um eixo vertical ( “yaw” ) para que o disco varrido pela pás esteja sempre em posição perpendicular ao vento.

Rotor de eixo vertical

Em geral, rotores de eixo vertical têm a vantagem de não precisarem de mecanismos de acompanhamento para variações de direção do vento. Os principais tipos de rotores de eixo vertical são:

– Savonius

– Darrieus

– Turbina com torre de vórtices

Os rotores do tipo Savonius são movidos predominantemente por forças de “drag” embora desenvolvam algum “lift”. Têm relativamente alto torque de partida, embora em baixa velocidade. Sua eficiência é baixa. Seu rendimento mecânico máximo pode atingir 31%

Rotor tipo Savonius

Os rotores tipo Darrieus desenvolvidos em 1927 pelo francês G.J.M Darrieus são os mais fortes concorrentes aos cataventos convencionais de hélices. São movidos por forças de “lift”. Constituem-se de lâminas ( duas ou três ) curvas de perfil aerodinâmico atadas pelas duas pontas ao eixo vertical. Em rotação, suas lâminas são curvadas por força centrífuga até um diâmetro aproximadamente igual a distância entre as pontas, assumindo a forma de uma catenária. Podem atingir alta velocidade, mas o torque de partida é aproximadamente nulo. Várias configurações podem ser concebidas. Estes rotores podem ser combinados a outros rotores para aumentar o torque de partida. Sua eficiência é alta, quase comparável aos tipos convencionais de cataventos.

Rotor do tipo Darrieus

As turbinas com torre de vórtice são unidades mais compactas do que outros cataventos, fixada uma potência de saída. Estão em estágio de desenvolvimento.

Pás

Construtivamente, as pás podem ter as mais variadas formas e empregar os mais variados materiais. Em particular, pás rígidas de madeira, alumínio, aço, fibra de vidro, fibra de carbono e/ou Kevlar são os mais promissores.

Fibras de vidro: Materiais compostos reforçados com fibra de vidro oferecem boa resistência específica e resistência à fadiga, bem como os custos competitivos para as pás. É o material utilizado em quase todas as pás dos aerogeradores dos parques eólicos da Califórnia ( EUA ), e já foi utilizado em rotores de até 78m de diâmetro. As pás em materiais compostos possibilitam uma geometria aerodinâmica lisa, contínua e precisa. As fibras são colocadas estruturalmente nas principais direções de propagação das tensões quando em operação.

Aço: Os aços estruturais são disponíveis a custo relativamente baixo no mercado interno de alguns países, e há bastante experiência na sua utilização em estruturas aeronáuticas de todos os tamanhos. No entanto, uma desvantagem do aço é que as pás nesse material tendem a ser pesadas, o que acarreta aumentos de peso e custo de toda a estrutura suporte. Pás de aço necessitam de proteção contra a corrosão, para a qual existem diversas alternativas possíveis.

Madeira: Essa fibra natural, que também constitui um material composto, evoluiu ao longo de milhões de anos para suportar cargas de fadiga induzidas pelo vento, que tem muito em comum com aquelas a que são submetidos os rotores de aerogeradores. A madeira é amplamente utilizada no mundo para pás de rotores pequenos ( até 10 m de diâmetro ). O baixo peso da madeira é uma vantagem, mas deve-se cuidar para evitar variações do teor de umidade interna, o que pode causar degradação das propriedades mecânicas e variações dimensionais, que enfraquecem a estrutura das pás e podem causar rompimentos na estrutura.

Alumínio: a maior parte dos aerogeradores do tipo Darrieus usam pás feitas de ligas de alumínio, extrudadas na forma de perfil aerodinâmico. Entretanto, ligas de alumínio não têm limite inferior de tensão de fadiga, à medida que os ciclos de carregamento são aumentados, e este comportamento sempre tem levantado dúvidas quanto à possibilidade de se atingir a longa vida de 20 anos ou mais para um rotor de alumínio.

A maioria dos rotores modernos tem duas ou três pás. Os projetistas americanos tem escolhido geralmente duas pás com base no argumento de que o custo de duas pás é menor que o de três. Outros, especialmente os dinamarqueses, argumentam que o custo extra da terceira pá é compensado pelo comportamento dinâmico mais suave do rotor de três pás, e que o custo total do aerogerador é virtualmente idêntico quer se usem duas ou três pás.

Um rotor de três pás fornece oscilações menores de torque no eixo, o que simplifica a transmissão mecânica.

Se um rotor de duas pás é escolhido – pelo menos para aerogeradores grandes – é usual se ter o rotor articulado, isto é, permitindo uns poucos graus de movimento perpendicular ao eixo de rotação. Com um cubo articulado, cada pá, ao passar pelo topo do círculo de rotação – onde a velocidade do vento é maior devido ao gradiente vertical – move-se um pouco para trás; ao mesmo tempo a outra pá, no curso inferior do círculo de rotação – onde o vento é menor – move-se para frente. Este movimento de articulação alivia significativamente as tensões na raiz das pás, e o consequente custo/benefício mais do que compensa pelo custo extra da articulação no cubo. Como o peso próprio das pás introduz cargas cíclicas na raiz (no plano de rotação ), e também penaliza a estrutura da torre, as pás devem obedecer ao critério de peso mínimo, resistência à fadiga e rigidez estrutural.

Rotores modernos com mais de três pás são apenas usados quando se necessita de um grande torque de partida, o que é basicamente o caso de bombeamento mecânico de água. Aerodinamicamente, no entanto, grande número de pás e alto torque de partida implicam em menor eficiência. O rotor deve ser fabricado com grande esbeltez, precisão nos perfis aerodinâmicos, bom acabamento superficial, que são requisitos para maximizar a eficiência aerodinâmica.

 

2- Transmissão/ Multiplicação

A velocidade angular de rotores varia habitualmente na faixa de 15 a 220 rpm devido a restrições de velocidade na ponta da pá (tangenciais), que operam na ordem de 50 a 110m/s, quase independentemente do tamanho do diâmetro. Como geradores trabalham, sobretudo geradores síncronos, a rotações bastante mais altas ( comum entre 1200 e 1800 rpm), torna-se necessária a instalação de sistemas de multiplicação entre o eixo do rotor e o eixo do gerador. Isto significa geralmente um multiplicador convencial, com dois ou três estágios de engrenagens, apesar de transmissões metálicas também terem sidos experimentadas. Nos aerogeradores conectados às redes de distribuição elétrica, a rotação no gerador é de, tipicamente, 1500 rpm ( para 50 Hz) e de 1800 rpm ( para 60Hz ). Para aplicações onde a rede é de alta potência, o simples e confiável gerador de indução ( assíncrono ) pode ser usado; a rotação é então mantida dentro de uma certa percentagem da rotação síncrona ( um pequeno ângulo de “escorregamento” é essencial para a operação deste tipo de gerador). Devido a esta pequena ( mas finita) margem de velocidades é permitida alguma absorção de energia das flutuações rápidas de vento na forma de energia cinética do rotor pela sua inércia. Desta forma, as flutuações de cargas nas engrenagens da caixa de multiplicação são levemente suavizadas.

Para alguns rotores de tamanhos pequenos, é possível a conexão direta, pois por exemplo, rotores de 1m de diâmetro podem atingir rotações de até 2000 rpm. Também, para potências na ordem de poucos quilowatts, geradores especiais podem ser construídos, com baixa rotação, para conexão direta aos rotores.

Para potências acima de 1 a 2 kW, e rotores com mais de 3m de diâmetro, a regra geral é a utilização de alguma forma de multiplicador de velocidades entre o rotor e o gerador. Correias, correntes e transmissões hidráulicas têm sido utilizadas, mas a forma mais amplamente utilizada e provavelmente com maior sucesso é a transmissão por engrenagens, nas suas várias formas, desde engrenagens de dentes paralelos a dentes helicoidais, sistemas planetários ou não. A multiplicação por engrenagens é a de maior eficiência. Multiplicação por correias ou correntes tem a possibilidade de baixos custos, porém são viáveis apenas para pequenas potências

3- Geradores

A transformação de energia mecânica de rotação em energia elétrica através de equipamentos de conversão eletromecânica é um problema tecnologicamente dominado. Grupos geradores são correntemente industrializados e comercialmente disponíveis. A problemática na integração dos grupos geradores existentes a sistemas de conversão eólica envolve:

– variações na velocidade do vento ( extensa faixa de rotações por minuto para a geração );

– variações do torque de entrada ( posto que variações na velocidade do vento induzem variações de potência disponível no eixo conjunto gerador);

– exigência de frequência e voltagem constante na energia final produzida;

– facilidade de instalação, operação e manutenção de tais engenhos devido ao isolamento geográfico de muitos desses sistemas, sobretudo em caso de pequena escala de produção. ( isto é, alta confiabilidade dos equipamentos);

– baixos custos.

Para aplicações isoladas, onde geralmente o objetivo é carregar baterias, existem duas opções: gerador de corrente contínua ou gerador síncrono com retificador. Em geradores DC não há necessidade de controle da velocidade do rotor e a tensão é independente de velocidade constante, uma vez que se exerce um controle sobre o campo, entretanto geralmente são mais pesados, mais caros, a fabricação é principalmente para baixas potências, necessita de regulador de tensão acoplado ao campo e de manutenção periódica. No Brasil, para potências maiores que 1 kW, são usados os geradores síncronos com retificador. Geradores e alternadores automotivos são produzidos em grande quantidade, têm baixo custo ( por Watt ), e têm assistência técnica em praticamente todo o território nacional. No entanto, existem apenas para potências abaixo de 1 kW ( os mais comuns são de 200-500 Watts ), têm baixa eficiência e alta rotação, o que faz de seu uso um compromisso técnico-econômico difícil.

Já para os aerogeradores conectados à rede, as principais opções que existem são: geradores síncronos, geradores assíncronos ( de indução ) e geradores de comutador de corrente alternada.

O tipo de gerador decididamente influencia o comportamento em operação do aerogerador e suas interações com a rede. As tensões mecânicas e as flutuações rápidas de potência gerada diminuem quanto maior for a capacidade e a amplitude das variações de rotação permissíveis no gerador.

Geradores Síncronos

Grande parte dos sistemas de conversão de energia eólica construídos até hoje, de média e grande escala de produção, usam geradores síncronos para a conversão eletromecânica. O estado de desnvolvimento tecnológico de tais equipamentos os recomenda fortemente. Dois tipos de excitação de campo são permitidos: (1) excitatriz independente, por baterias, com carregamento e (2) excitatriz acoplada a rotação do eixo com campo de ímã permanente. Suas vantagens são:

– Não há virtualmente limitação de potência para sua fabricação;

– Podem ser ligados diretamente à rede;

– Alta eficiência (h _g = 0.98 );

– Permitem melhor controle do fator de potência da carga.

E as desvantagens:

– Se ligado à rede, é necessário manter velocidade de rotação constante no sistema, posto que a constância de sua frequência depende intrinsecamente da constância da velocidade de rotação. Caso contrário poderá apresentar problemas de instabilidade.

– Necessita regulador de voltagem acoplado ao campo.

Geradores Assíncronos

Esses geradores não possuem campo de excitação. Comparativamente com geradores síncronos, entretanto, necessitam de maior torque de partida para “cut-in” (acoplamento). Para o gerador de indução, variações limitadas de rotação são possíveis, dentro da margem de “escorregamento” do gerador. Isto permite maior elasticidade em rotação do que o gerador síncrono, o que reduz tensões mecânicas e flutuações elevadas de potência gerada quando da ocorrência de rajadas de curta duração, permitindo alguma absorção da energia da rajada de vento na forma de energia cinética pela inércia do rotor, e são eliminados os problemas de instabilidades em transientes. Além disso, geradores de indução são mais robustos, requerem mínima manutenção e têm uma longa vida em operação.

O gerador de indução também possibilita conexão direta `a rede sem a necessidade de sincronização ou de regulação de voltagem. Entretanto, alguns problemas podem ocorrer com a magnetização, a corrente de partida e com o controle de potência reativa, especialmente nas seções de alta impedância da rede elétrica onde tiver instalado. No caso dos parque eólicos da Califórnia, praticamente todos os aerogeradores em uso têm geradores de indução.

Geradores de Comutador de Corrente Alternada

São geradores adaptados especialmente para produção de frequência variável. Têm excitação independente por gerador de baixa potência, pulsando com a frequência desejada. Sua concepção é similar às excitatrizes de grandes turbo-geradores ( 1000 MW ) do tipo conhecido sob o nome de “brushless excitation system”. A limitação tecnológica de potência situa-se na faixa de 5 MW.

Vantagens:

– A frequência de saída é sempre igual à frequência de excitação: independe da velocidade de rotação do eixo do gerador.;

– Melhor controle do fator de potência da carga;

– Podem ser usados eventualmente como gerador síncrono.

Desvantagens:

– Custo da ordem de 20% acima de geradores de corrente contínua;

– Exigem manutenção periódica: troca de escovas, etc.

A tecnologia eletrônica moderna de estado sólido para grandes potências, tornou comerciais retificadores e inversores de estado sólido capazes de operar em potências comuns de sistemas de conversão. Conjuntos de gerador síncrono – transformador – retificador – inversor de estado sólido e gerador são sistemas disponíveis e utilizáveis comercialmente, para o caso de sistemas de conversão de energia eólica de velocidade variável e frequência constante. Estão em investigação: Conversores cíclicos, Alternadores de frequência, Geradores de campo modulado, entre outros exemplos. Geradores de corrente contínua, não considerados anteriormente em faixas superiores de potência devido ao alto custo de alternadores associados para a geração de corrente alternada, começam a ser reconsiderados em média ou larga escala de produção pela facilidade de armazenamento elétrico em conjuntos de baterias e o desenvolvimento de Inversores.

4- Torre

As torres que elevam os rotores a altura desejada, estão sujeitas à inúmeros esforços. Primeiramente forças horizontais devem ser levadas em conta: resistência do rotor ( “drag” ) e da própria torre à força do vento. Em seguida, forças torsionais, impostas pelo mecanismo de controle de rotação da gávea giratória e esforços verticais (peso do próprio equipamento), não devem ser desprezados.

Quanto ao material, as torres podem ser de aço (em treliças ou tubulares), ou tubulares de concreto. Para aerogeradores menores, é possível a utilização de torres de madeira sobre um poste de eucalipto com estais de aço.

A torre suporta a massa da nacele e das pás; as pás, em rotação, excitam cargas cíclicas no conjunto, com a frequência da rotação e seus múltiplos, e assim uma questão fundamental no projeto da torre é a sua frequência natural, que deve ser desacoplada das excitações para evitar o fenômeno de ressonância, o qual aumenta a amplitude das vibrações e tensões resultantes e reduz a vida em fadiga dos componentes, entre outros efeitos desagradáveis. Logo após 1973, a primeira geração de aerogeradores ditos modernos foi projetada com torres rígidas, com frequências naturais bem acima das forças de rotação do rotor. Entretanto, esse enfoque conduziu a torres desnecessariamente pesadas e caras.

À medida que a compreensão dos problemas dinâmicos de aerogeradores foi aumentando, durante a última década, tornou-se possível aerogeradores mais leves, que são consequentemente menos rígidos, mas também significativamente mais baratos que seus antecessores.

Desde que tenha as suas frequências naturais desacopladas das da excitação do rotor, as torres podem ser estaiadas ou não. De modo geral, as frequências naturais de uma torre estaiada podem ser melhor reguladas variando-se a tensão de estaiamento. Interessante notar que um estaiamento por barras de aço é preferível ao uso de cabos, pois estes são mais elásticos e necessitam de pré-tensões muito maiores do que as que seriam necessárias em barras para atingir a mesma frequência natural, numa mesma configuração.

Um aerogerador moderno constitui uma estrutura esbelta, com a massa das pás em rotação sobre uma torre, excitando cargas cíclicas sobre todo o sistema. Um problema básico do projeto é determinar todos os modos e frequências naturais de vibração dos componentes, em especial pás e torre, para evitar ressonância com as frequências de excitação do rotor em operação. A ressonância causa aumento das amplitudes de carregamento cíclico no sistema, comprometendo a resistência à fadiga e reduzindo a vida útil prevista para o aerogerador, que é de aproximadamente 20 anos.

A altura da turbina é importante ?

 Quanto mais alto melhor, a potência do vento em função da altura varia nas seguintes proporções:

V₀-Velocidade em m/s à altura de referência h₀ do solo
α-Coeficiente característico do local; entre 0,1 e 0,4

 Cada local pode ter um factor diferente, baseando-nos num factor de 0,1 podemos criar um gráfico aproximado.

Componentes de um sistema eólico

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.
• Acessórios: São os componentes periféricos.

Apresentação das partes de um sistema eólico

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.
A condição de máxima extração de energia verifica-se para uma velocidade na esteira
do rotor igual a 1/3 da velocidade não perturbada. Em condições ideais, o valor máximo da
energia captada por um rotor eólico é limitado pela eficiência de Betz dada pelo fator 16/27 ou
0,593. Em outras palavras, 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%.

Mecanismos de Geração dos Ventos

A energia eólica pode ser considerada como uma das formas em que se manifesta a energia proveniente do Sol, isto porque os ventos são causados pelo aquecimento diferenciado da atmosfera. Essa não uniformidade no aquecimento da atmosfera deve ser creditada, entre outros fatores, à orientação dos raios solares e aos movimentos da Terra.

As regiões tropicais, que recebem os raios solares quase que perpendicularmente, são mais aquecidas do que as regiões polares. Consequentemente, o ar quente que se encontra nas baixas altitudes das regiões tropicais tende a subir, sendo substituído por uma massa de ar mais frio que se desloca das regiões polares. O deslocamento de massas de ar determina a formação dos ventos. A Figura 1 a seguir apresenta esse mecanismo.

Figura 1 – Formação dos ventos devido ao deslocamento das massas de ar.

Existem locais no globo terrestre nos quais os ventos jamais cessam de “soprar” pois os mecanismos que os produzem (aquecimento no Equador e resfriamento nos pólos) estão sempre presentes na natureza. São chamados de ventos planetários ou constantes e podem ser classificados em:

• Alísios: ventos que sopram dos trópicos para o Equador, em baixas altitudes.

• Contra-Alísios: ventos que sopram do Equador para os pólos, em altas altitudes.

• Ventos do Oeste: ventos que sopram dos trópicos para os pólos.

• Polares: ventos frios que sopram dos pólos para as zonas temperadas.

Tendo em vista que o eixo da Terra está inclinado de 23,5o em relação ao plano de sua órbita em torno do Sol, variações sazonais na distribuição de radiação recebida na superfície da Terra resultam em variações sazonais na intensidade e duração dos ventos, em qualquer local da superfície terrestre. Como resultado surgem os ventos continentais ou periódicos e compreendem as monções e as brisas.

As monções são ventos periódicos que mudam de direção a cada seis meses aproximadamente. Em geral, as monções sopram em determinada direção em uma estação do ano e em sentido contrário em outra estação.

Em função das diferentes capacidades de refletir, absorver e emitir o calor recebido do Sol inerentes à cada tipo de superfície (tais como mares e continentes) surgem as brisas que caracterizam-se por serem ventos periódicos que sopram do mar para o continente e viceversa. No período diurno, devido à maior capacidade da terra de refletir os raios solares, a temperatura do ar aumenta e, como conseqüência, forma-se uma corrente de ar que sopra do mar para a terra (brisa marítima). À noite, a temperatura da terra cai mais rapidamente do que a temperatura da água e, assim, ocorre a brisa terrestre que sopra da terra para o mar. Normalmente, a intensidade da brisa terrestre é menor do que a da brisa marítima devido à menor diferença de temperatura que ocorre no período noturno.

Sobreposto ao sistema de geração dos ventos descrito acima encontram-se os ventos locais, que são originados por outros mecanismos mais específicos. São ventos que sopram em determinadas regiões e são resultantes das condições locais, que os tornam bastante individualizados. A mais conhecida manifestação local dos ventos é observada nos vales e montanhas. Durante o dia, o ar quente nas encostas da montanha se eleva e o ar mais frio desce sobre o vale para substituir o ar que subiu. No período noturno, a direção em que sopram os ventos é novamente revertida e o ar frio das montanhas desce e se acumula nos vales.

1.2. Movimento das Massas de Ar

De uma forma geral, os movimentos das massas de ar na atmosfera (vento) processamse em regime turbulento. Sendo assim, a velocidade instantânea do vento é descrita simplificadamente como um valor médio acrescido de um desvio a partir da média (flutuação), tal que:

V = V + v’

onde V é a velocidade média do vento e v’ é a flutuação. Na prática, para algumas aplicações, leva-se em consideração apenas a intensidade da velocidade média V .A maioria dos instrumentos de medição, devido a sua configuração, “filtra” as flutuações e fornece somente o valor da velocidade média.

A direção do vento também é um importante parâmetro a ser analisado pois mudanças de direção freqüentes indicam situações de rajadas de vento. Além disso, a medida da direção do vento auxilia na determinação da localização das turbinas em um parque eólico. Devido à existência do problema de “sombra”, isto é, a interferência das esteiras das turbinas, é fundamental o conhecimento da direção predominante.

Do ponto de vista do aproveitamento da energia eólica, é importante distinguir os vários tipos de variações temporais da velocidade dos ventos, a saber: variações anuais, sazonais, diárias e de curta duração.

Variações Anuais – Para se obter um bom conhecimento do regime dos ventos não é suficiente basear-se na análise de dados de vento de apenas um ano; o ideal é dispor de dados referentes a vários anos. À medida que uma maior quantidade de dados anuais é coletada, as características levantadas do regime local dos ventos tornam-se mais confiáveis.

Variações Sazonais – O aquecimento não uniforme da superfície terrestre resulta em significativas variações no regime dos ventos, resultando na existência de diferentes estações do ano. Considerando que, em função da relação cúbica entre a potência disponível e a velocidade do vento (na altura do eixo da turbina), em algumas faixas de potência, uma pequena variação na velocidade implica numa grande variação na potência. Sendo assim, a utilização de médias anuais (ao invés de médias sazonais) pode levar a resultados que se afastam da realidade.

Variações Diárias – As variações diárias na velocidade do vento (brisas marítimas e terrestres, por exemplo) também são causadas pelo aquecimento não uniforme da superfície da Terra. Essas variações são importantes quando, após a escolha de uma região, procura-se o local mais adequado para a instalação do sistema eólico dentro dessa área. Ao comparar a evolução da velocidade média ao longo do dia percebe-se que há uma significativa variação de um mês para os outros. Com esse tipo de informação pode-se projetar melhor o sistema eólico. Por exemplo, nos locais em que os ventos no período do dia são mais fortes do que os ventos no período da noite e a carga de pico ocorre durante o dia, a carga base pode ser fornecida pelo sistema existente e a carga adicional pelo sistema eólico. Entretanto, se a carga de pico ocorre durante a noite, provavelmente a demanda será maior que o disponível e um sistema de estocagem pode se fazer necessário.

Variações de Curta Duração – As variações de curta duração estão associadas tanto às pequenas flutuações quanto às rajadas de vento. Num primeiro momento, essas variações não são consideradas na análise do potencial eólico de uma região, desde que não assumam grandes proporções. As flutuações e a turbulência do vento podem afetar a integridade estrutural do sistema eólico, devido à fadiga que ocorre especialmente nas pás da turbina. Por outro lado, as rajadas, caracterizadas por aumentos bruscos de curta duração da velocidade do vento, geralmente acompanhadas por mudanças de direção, merecem maior atenção.

Introdução ao Projeto da Turbina Eólica

Introdução

Pode ser difícil considerá-lo assim, mas o ar é um fluido como qualquer outro, exceto que suas partículas estão na forma gasosa em vez de líquida. Quando o ar se move rapidamente, na forma de vento, essas partículas também movem-se rapidamente. Esse movimento significa energia cinética, que pode ser capturada como a energia da água em movimento é capturada por uma turbina em uma usina hidrelétrica. A energia, ao invés do que é divulgado, nunca é gerada, sempre uma energia é transformada em outra. No caso de uma turbina eólica, as pás da turbina são projetadas para capturar a energia cinética contida no vento. Quando as pás da turbina capturam parte da energia do vento e começam a se mover, elas giram um eixo que, através de um gerador transforma essa energia rotacional em eletricidade.
Toda a energia eólica começa com o sol. Quando o sol aquece uma determinada área de terra, o ar ao redor dessa massa de terra absorve parte desse calor. A uma certa temperatura, esse ar mais quente começa a se elevar muito rapidamente, pois um determinado volume de ar quente é mais leve do que um volume igual de ar mais frio. As partículas de ar que se movem mais rápido (mais quentes) exercem uma pressão maior do que as partículas que se movem mais devagar, de modo que são necessárias menos delas para manter a pressão normal do ar em uma determinada elevação . Quando este ar quente mais leve se eleva subitamente, o ar mais frio flui rapidamente para preencher o espaço vazio deixado. Este ar que velozmente preenche o espaço vazio é o vento.
Suficiência mundial
Estudo diz que o vento pode suprir as necessidades energéticas do mundo. A notícia é um bom presságio para os defensores das fontes limpas de energia.

Se você colocar um objeto – como uma pá de rotor – no caminho desse vento, o vento irá empurrá-la, transferindo parte de sua própria energia de movimento para a pá. É assim que uma turbina eólica captura a energia do vento. A mesma coisa acontece com um barco à vela. Quando o ar se move empurrando a barreira da vela, faz o barco se mover. O vento transferiu sua própria energia de movimento para o barco à vela.
A turbina de energia eólica mais simples possível consiste em três partes fundamentais:

pás do rotor: as pás são, basicamente, as velas do sistema. Em sua forma mais simples, atuam como barreiras para o vento (projetos de pás mais modernas vão além do método de barreira). Quando o vento força as pás a se mover, transfere parte de sua energia para o rotor;
eixo: o eixo da turbina eólica é conectado ao cubo do rotor. Quando o rotor gira, o eixo gira junto. Desse modo, o rotor transfere sua energia mecânica rotacional para o eixo, que está conectado a um gerador elétrico na outra extremidade;
gerador: na essência, um gerador é um dispositivo bastante simples, que usa as propriedades da indução eletromagnética para produzir tensão elétrica – uma diferença de potencial elétrico. A tensão é, essencialmente, “pressão” elétrica: ela é a força que move a eletricidade ou corrente elétrica de um ponto para outro. Assim, a geração de tensão é, de fato, geração de corrente. Um gerador simples consiste em ímãs e um condutor. O condutor é um fio enrolado na forma de bobina. Dentro do gerador, o eixo se conecta a um conjunto de imãs permanentes que circunda a bobina. Na indução eletromagnética, se você tem um condutor circundado por imãs e uma dessas partes estiver girando em relação à outra, estará induzindo tensão no condutor. Quando o rotor gira o eixo, este gira o conjunto de imãs que, por sua vez, gera tensão na bobina. Essa tensão induz a circulação de corrente elétrica (geralmente corrente alternada) através das linhas de energia elétrica para distribuição. Veja Como funcionam os eletroimãs para aprender mais sobre a indução eletromagnética e Como funcionam as usinas hidrelétricas para aprender mais sobre geradores acionados a turbina.
Observe que até agora vimos um sistema simplificado, porém veremos a moderna tecnologia que você encontra em fazendas eólicas e quintais de propriedades rurais de hoje. Ela é um pouco mais complexa, mas os princípios fundamentais são os mesmos.

Metodologia de trabalho

Primeiramente foi decidido que o grupo seria constituído pelos alunos:
André Amadei
Arthur Pereira
Lucas Canzian
Raphael Khalil
Feito tal escolha de elementos do grupo, foi acordado que o tema a ser abordado seria a turbina de vento.
A partir disso, todos os componentes realizaram seu próprio estudo sobre o a história, o uso, o modo de construção e a importância dos moinhos de vento e sua relevância no aproveitamento da energia eólica.
Estipulou-se que o grupo iria fazer reuniões em intervalos constantes de tempo(semanalmente), tendo em vista o melhor aproveitamento e integração de idéias entre os componentes do grupo.

Energia dos ventos ao longo da História

Imagem ilustrativa de um Moinho de Vento

Toda atividade humana precisa de energia para que possa ser
realizada. Qualquer movimento só é possível se existir energia
mecânica disponível. Em função desta necessidade, muito cedo
na história do desenvolvimento humano, a conversão de
formas de energia primária em energia mecânica para a
realização de trabalhos motivou o ser humano a estudar e
desenvolver técnicas de conversão de energia. Uma das
formas de energia primária abundante na natureza é a energia
dos ventos, denominada energia eólica. A técnica de
conversão da energia dos ventos em energia mecânica
primeiramente foi explorada para utilização em propulsão de
navios, moinhos de cereais, bombas de água e na idade média
para mover a industria de forjaria (figura 1).
A conversão da energia dos ventos em energia mecânica
consiste numa técnica relativamente simples, bastando apenas
que se tenha um potencial eólico disponível e que resista aos
caprichos da natureza.

No final do século XIX quando o uso da energia elétrica
começou a crescer rapidamente no planeta, as primeiras
turbinas eólicas foram aplicadas na conversão da energia dos
ventos diretamente em energia elétrica. No inverno de 1887-
1888 Charles F. Brush colocou em operação a primeira turbina
eólica automática com diâmetro do rotor de 17m e 144 pás de
madeira para gerar energia elétrica.

Entretanto, foi a partir de experiências de estímulo ao mercado
realizadas na Califórnia na década de 1980 e na Dinamarca e
Alemanha na década de 1990 que o aproveitamento da energia
eólica como alternativa de geração de energia elétrica atingiu
escala de contribuição mais significativa ao sistema elétrico,
em termos de geração, eficiência e competitividade. O enorme
desenvolvimento tecnológico passou a ser capitaneado pela
nascente indústria do setor, em regime de competição e
estimuladas por mecanismos institucionais de incentivo.
Devido a este avanço tecnológico e ao crescimento da
produção em escala, foi possível se desenvolver novas
técnicas de construção dos aero-geradores permitindo
aumentar a capacidade unitária das turbinas, obtendo assim
reduções graduais e significativas nos custos do quilowatt
instalado e, conseqüentemente, uma substancial redução no
custo da geração da energia elétrica. A figura 4, extraída da
revista Windpower Monthly de Janeiro de 2004, mostra a
tendência da evolução descendente dos custos de geração da
energia elétrica a partir de turbinas eólicas, enquanto que o
custo da energia gerada a partir do carvão e do gás é constante
ou ascendente.

A geração de energia elétrica em grande escala, alimentando
de forma suplementar o sistema elétrico através do uso de
turbinas eólicas de grande porte, evoluiu muito nas últimas
décadas. Pode-se dizer que a moderna tecnologia das turbinas
eólicas surgiu na Alemanha na década de 1950, já com pás
fabricadas com materiais compostos, controle de passo e torres
na forma tubular e esbelta.

O principal problema ambiental inicial, tal como impacto de
pássaros nas pás, praticamente desapareceu com as turbinas de
grande porte, com menores velocidades angulares dos rotores.
Por ser uma fonte de energia quase inofensiva ao meio
ambiente, os estudos de impacto ambiental são bem
simplificados e mais rápidos, que os requeridos por fontes
tradicionais de geração de energia elétrica.

Na década de 1970 até meados da década de 1980, após a
primeira grande crise do petróleo, diversos países, inclusive o
Brasil, se preocuparam em desenvolver pesquisas na utilização
da energia eólica como uma fonte alternativa de energia.

Gráfico Energia Eólica e os Principais Países

Gráfico Capacidade de Energia Eólica Mundial

Por ser uma forma limpa de gerar energia e associada ao forte
crescimento na escala industrial de produção e montagem de
turbinas, com custos progressivamente decrescentes, a energia
eólica tornou-se uma fonte energética com uma das maiores
taxas de crescimento em capacidade geradora de energia
elétrica (da ordem de 28% nos últimos anos).