A ENERGIA EÓLICA

O vento é visto atualmente como uma fonte alternativa de energia, segura, com significativo crescimento no mundo nos últimos anos, notadamente na Europa e nos Estados Unidos, e que se presta como fonte complementar a outras fontes com maior impacto ambiental, principalmente a energia nuclear. Em diversos países, o potencial eólico aliado as condições geográficas e aos programas de financiamento existentes tem tornado esta forma de energia extremamente competitiva.

ANTECEDENTES: O aproveitamento da energia do vento já era realizado há milhares de anos. O rei Hamurabi utilizava essa energia para irrigar os campos da Mesopotâmia. Também na China e Pérsia a energia eólica foi muito utilizada na Antigüidade, inclusive para impulsionar embarcações ao longo dos rios. Na Idade Média os moinhos de vento surgem na Itália, França, Espanha e Portugal, trazidos pelas cruzadas. Os Holandeses passaram a utiliza-los a partir de 1350 para bombeamento de água. Foi na América do Norte, a partir da segunda metade do século 19, que os aeromotores se popularizaram, sendo muito utilizados para o bombeamento de água em poços, viabilizando a colonização no meio-oeste americano.

O Japão foi chamado, por alguns, de Holanda do Oriente. Na década de 50, 10.000 sistema de modelo aperfeiçoado, cada um fornecendo de 100 a 300 KW lá foram instalados. No começo do século 20, apareceram na França os primeiros aerogeradores rápidos. Para a produção de eletricidade, a gama dos “aerogeradores” se estende de uma centena de Watts a cerca de 5 MW por unidade. Depois da guerra, os maiores aerogeradores estavam instalados na França. Em 1958 uma central eólica de 132 KW com uma turbina de 3 pás e diâmetro de 21 m estava instalada em St. Remy des Landes; uma segunda de 800 KW, também de 3 pás e diâmetro de 30 m foi instalada em 1958 em Nogent-le-Roi; a última foi uma turbina de 1 MW, também de 3 pás e diâmetro de 35 m, que funcionou em 1963 em Landes. Estas experiências não foram abandonadas por razões técnicas, mas econômicas. A partir de 1973, este domínio sofreu uma renovação, muitas máquinas de 200 KW foram instaladas nos Estados Unidos; uma outra de 2 MW, foi instalada em 1979 em Boone na Carolina do Norte. Na Europa uma máquina de 2 MW que foi instalada em 1978 por uma escola dinamarquesa; neste país, também foi recondicionado o moinho de vento de Gedser, com 200 KW de potência, de 1967, sendo seu funcionamento interrompido 10 anos depois. A Dinamarca também construiu dois novos aerogeradores de 630 KW. Na Alemanha e na França, novos aerogeradores foram construídos nos anos 70. Com o choque do petróleo nos anos 70 e o crescente interesse na preservação do meio ambiente, a energia eólica passa a ter um papel diferente do desempenhado nas décadas e séculos anteriores, quando era usada para trabalhos mecânicos especialmente de bombeamento de água e irrigação. Começam a ser instaladas aerogeradores em diversos países, os Estados Unidos introduz incentivos fiscais na década de 80, com um salto na instalação destes equipamento, apenas na Califórnia mais de 1.600 MW foram instalados. Apesar da grande evolução, os incentivos originaram muitos projetos falhos, os inúmeros defeitos que apareceram, forçaram uma retomada nas pesquisas e um redirecionamento nos programas de geração eólica. A continuidade das pesquisas, permitiu uma evolução marcante nos aerogeradores, tendo estes adquirido a escala de milhares de megawatts instalados na década de 90 e custos extremamente competitivos das instalações (entre 800 e 2.000 US$/KW instalado).

Características do vento

O vento origina-se na circulação de massas de ar causadas pela diferença de temperatura e pressão da camada superficial da Terra, ao ser aquecida pelo sol e outras causas.

A radiação solar provoca um movimento convectivo das massas de ar. O ar quente sobe e o vapor de água contido nesta corrente ascendente se condensa ao baixar a temperatura, ocasionando as precipitações pluviométricas.

Como o calor especifico do solo é menor que o da água, aquele se aquece mais rapidamente sob o efeito da radiação solar e criam-se movimentos de convexão. Assim, durante o dia há uma brisa do mar para a terra e a noite o fenômeno se inverte. Estes efeitos são sentidos até a 50 Km da costa.

Existem cartas que indicam a velocidade média do vento na superfície da Terra, para cada mês, sendo muito úteis para a navegação a vela. A velocidade média sobre os oceanos é maior que aquela sobre a superfície terrestre. Isto é facilmente explicado pelo relevo e a vegetação encontrados na superfície terrestre. A intensidade e a direção do vento mudam a cada instante podemos entretanto estabelecer uma média horária, diurna, semanal e etc.

Para todo projeto que envolve energia eólica é necessário ter um conhecimento completo do comportamento do vento no local escolhido e, para tanto, os estudos estatísticos são muito importantes. Para um anteprojeto é indispensável conhecer as curvas de velocidade do vento em função da duração em dias e da freqüência dos mesmos.

O potencial eólico A avaliação e o uso da energia eólica se inicia com a determinação da potência do vento Pv, que pode ser obtida da fórmula a seguir:

Pv = ½ . . v3 . A (W)

Sendo:

- Densidade do ar ( aproximadamente 1,22 Kg/m3 ao nível do mar);

v - Velocidade do vento;

A - Área de captação;

Verifica-se que das componente da fórmula somente a área de captação pode ser controlada pelo homem, sendo que a densidade e a velocidade dos ventos depende exclusivamente da natureza. A densidade decresce cerca de 10% a cada 1000 metros de altitude e tem influencia reduzida se comparada à velocidade. Já a velocidade do vento tem grande influencia na potência final, sua variação altera a potência numa proporção cúbica. Supondo que em um local, repentinamente a velocidade dobre de valor, a potência do vento será elevado oito vezes. Como exemplo, a velocidade do vento variando de 5 m/s para 6 m/s eleva a potência em cerca de 70%. Um fator que influencia fortemente a velocidade do vento é o relevo, para um mesmo local, a velocidade do vento aumenta com a altura em relação ao solo. A formula a seguir determina a variação de velocidade para diferentes alturas em um mesmo local. O coeficiente 1/7 é especifico para regiões planas, sendo que em terrenos mais acidentados este pode ser bem maior.

V2 = V1 . (h2 / h1)1/7

Um aumento no comprimento das pás aumenta a área de captação de vento pelo rotor (área circular) e, consequentemente a potência eólica em um fator 4. Por outro lado isso também aumentara os esforços estáticos e dinâmicos a serem considerados no cálculos estruturais das pás.

O fluxo do vento na atmosfera é também influenciado por alguns outros parâmetros. As seguintes diretrizes podem ser úteis (todos os valores são para uma altura de 20 m, o que parece ser um mínimo razoável):

- os melhores lugares para a energia eólica estão no mar e no litoral. A 1 km da praia, a velocidade do vento cai, e a 5 km as condições são as mesmas que para as planícies do interior. Um valor médio para o litoral é de 2.400 kWh/m2 por ano, em istmos expostos, 4000 unidades/m2 ou mais;

- os seguintes melhores lugares são as montanhas. Um valor médio típico é de 1600 kWh/m2 por ano. Na França, a maior energia eólica conhecida é encontrada nos Pireneus (7000 kWh/m2) a uma altitude de 490 m;

- o nível mais baixo de energia eólica é encontrado em planícies, onde os valores são geralmente três ou quatro vezes mais baixos que na costa. Uma média típica é 750 kWh/m2 por ano.

Quanto aos climas, outros critérios interagem com aqueles até aqui discutidos: - na região equatorial úmida, virtualmente não há energia eólica, quer no mar,

no litoral, ou nas montanhas; - a quantidade de energia eólica conversível é boa ou razoável em climas

quentes ou secos, bem como nos climas frios e temperados; - em alguns países quentes e ventosos, a energia eólica pode não ser utilizável

por causa da freqüência de ciclones.

Energia eólica em diferentes localizações geográficas Energia Max. do vento

Topografia Localização ou região (kWh/m2 por ano) Ilhas ou Grande Canária 7000 Litoral Ilhas largo de New Brunswick, Canada 7000

Sul da Espanha 6300 Gales e Cornualha, Reino Unido > 4000 África Ocidental 3600 Madagascar 2300 Martinica 1800 Dinamarca 1500

Montanhas Pireneus > 7000

Camarões 20 Planície Groenlândia (2900 m de altura) 3400

Madri 900 Deserto do Saara 600 - 1000 Londres 600 Senegal 10

Constituição de uma turbina eólica

Classificação das turbinas eólicas É comum a classificação das turbinas eólicas de acordo com seu tamanho, potência ou uso

Tamanho Potência Uso

Pequeno

Até 80 KW

Consumo próprio com fornecimento do eventual excedente para a rede

Médio

De 80 KW a 500 KW

Consumo próprio com fornecimento do excedente para a rede ou só fornecimento

Grande

Maior que 500 KW

Fornecimento de energia para a rede

Ou por tamanho, diâmetro ou a área:

Tamanho Diâmetro (m) Área (m2)

Pequeno Até 16 Até 200

Médio De 16 a 45 De 200 a 1600

Grande Maior que 45 Maior que 1600

TURBINAS EÓLICAS Existem basicamente dois tipos de turbinas eólicas, as de eixo horizontal e as de eixo vertical. As primeiras são as mais comuns para a geração de energia elétrica.

Turbinas eólicas de eixo horizontal Estas turbinas podem ter rotores com uma, duas, três ou mais pás. Para a geração elétrica é desejável o menor número possível de pás devido a que: - maior velocidade de rotação torna a geração de energia elétrica mais barata,

com a diminuição dos custos do gerador e da caixa de multiplicação - diminuição dos custos de material pelo emprego de menos pás - adoção de flanges articuladas reduzindo-se os esforços mecânicos.

Rotor de Três Pás É atualmente a turbina mais empregada, consegue controlar mais facilmente os problemas decorrentes dos esforços dinâmicos, dinâmicos, representando mais segurança. Tem velocidade de rotação inferior àquelas com duas ou uma pá. Para se ter maior velocidades necessitaríamos de pás mais esbeltas causando problemas estruturais e emissão de ruído.

Rotor de Duas Pás O rotor de duas pás pode gira a uma velocidade de rotação maior, o que ocasiona gastos menores com a caixa de multiplicação e com o gerador, bem como um menor peso do rotor e uma menor nacele, comparado com o de três pás. Entretanto os problemas aerodinâmicos são maiores, pelo desbalanceamento de massa do rotor em relação à torre durante a rotação, com enormes esforços de adicionais de torção e flexão.

Rotor de Uma Pá O rotor de uma pá destaca-se em relação aos demais pela capacidade de alcançar velocidades de rotação bem superiores, reduzindo os gastos com a caixa de multiplicação e o gerador. A massa no topo da torre e da turbina eólica é bem inferior àquelas com maior número de pás. A desvantagem é um desbalanceamento maior e esforços dinâmicos que devem ser limitados através da escolha do tipo de conexão nacele-torre e do tipo de cubo empregado.

Rotor de Quatro ou mais Pás

(rotor multipás ou cata-vento) Turbinas eólicas com quatro ou mais pás não são relevantes para a geração de energia elétrica, devido a baixa velocidade de rotação. Este tipo de turbina e empregado para o bombeamento de água.

Dado que o vento pode soprar de diferentes direções é sumamente importante a posição dos rotores em relação ao vento, nas turbinas de eixo horizontal. Basicamente o rotor poderá ser posicionado na frente da torre (entre o vento e a torre), conhecido como rotor a barlavento, a maioria das turbinas tem este arranjo, outra opção é o rotor a sotavento, ou seja o rotor é posicionado atrás ou a jusante da torre. Para maximizar a energia eólica, também é necessário que o eixo do rotor esteja alinhado em relação à direção do vento, e isso pode ser obtido com o auxilio de lemes aéreos, ou com rotores que se auto-direcionam ou ainda com direcionamento é efetuado por rotores laterais ou motores auxiliares.

Turbinas eólicas de eixo vertical

As turbinas de eixo vertical desempenham atualmente um papel secundário, para a geração de energia elétrica, dividem-se principalmente em rotores do tipo Savonius e Darrieus. Estes últimos ainda são utilizados em geração elétrica.

Rotor Savonius

Rotor Darrieus O rotor Darrieus tem como vantagem não requer nenhum tipo de direcionamento pois está sempre voltado ao vento. O gerador e os controles encontram-se ao nível do solo

e são portanto de fácil acesso e manutenção. Suas pás são de simples construção . Como o rotor fica situado próximo ao solo, a geração de energia é sensivelmente inferior a um gerador de eixo horizontal. O controle desta turbina é difícil e necessitam de um motor de partida.

Rotor H-Darrieus

Diferente do anterior, este rotor tem as pás em forma similar à letra H e a construção destas é simples. Como as pás estão situadas a uma altura similar às de eixo horizontal, poderá também gerar energia em níveis similares. O controle de potência pode ser semelhante ao das turbinas de eixo horizontal.

Torre As torres das turbinas eólicas podem ser de três tipos: treliçadas, tubulares estaiadas e tubulares livres. Emprega-se o concreto e o aço, sendo que em turbinas pequenas e médias utilizam-se em geral o aço, nas grandes turbinas tem-se usado mais o concreto em torres tubulares livres, entre outros fatores devido a uma maior aceitação por parte da população devido ao seu menor impacto estético.

fotos com os três tipos de torres utilizadas, treliçadas, tubulares estaiadas e tubulares livres

CONTROLE DE POTENCIA E ROTAÇÃO DAS TURBINAS EÓLICAS As turbinas eólicas são projetadas para atingir a potência nominal com a velocidade de vento que ocorram freqüentemente. Devem ser previstos dispositivos de limitação da rotação e da potência para se evitar esforços excessivos aos componentes quando de velocidades de vento superiores à nominal (aquela a qual turbina fornece a potência nominal). Existem dois tipos básicos de controle, o Estol ou descolamento passivo do escoamento do ar ao longo das pás do rotor, que causa o aumento das forças de arrasto e a diminuição das de sustentação. Este é aplicado em turbinas pequenas e médias que tem pás fixas. O outro tipo de controle é o “ajuste ativo do angulo de passo da pá” (pitch) que regula a força de sustentação nas pás por meio da alteração do angulo de ataque. Neste caso o angulo pode ser ajustado continuamente otimizando a captação de energia, requer porém novas peças que aumentam o custo da turbina, é aplicado normalmente em grandes turbinas.

CAIXA DE MULTIPLICAÇÃO Por razões de peso e custo, a energia elétrica é gerada em geradores com altas velocidades de rotação. Como os rotores das turbinas tem limitações mecânicas no giro de 15 rpm (diâmetro > 100 m) e 200 rpm (diâmetro < 8m) , faz-se necessário a instalação de uma caixa de multiplicação para elevar a rotação do rotor para o gerador.

SISTEMA ELETRICO Geradores São utilizados dois tipos de geradores, os geradores síncronos que tem melhor rendimento e podem ser ligados diretamente à rede, mas que para isso necessitam de equipamentos adicionais para manter o sincronismo com a rede, redundando em maiores custos. E os geradores assíncronos ou de indução, que são robustos e requerem pouca manutenção apesar de terem rendimento inferior. Modo de operação Operação isolada Requer geradores síncronos ou de corrente contínua. A freqüência da rede é definida pela rotação da turbina, requerendo um controle de rotação para mante-la constante. A turbina deverá poder operar a meia carga quando a rede não puder absorver toda a potência e deverá estar integrada a de outras fontes ou sistemas de geração no período de ventos insuficientes. Operação interligada diretamente à rede Requer velocidade de rotação constante (geradores síncronos) ou próximo disto (geradores assíncronos) e um sistema de controle de potência. Em redes com predominância a geração eólica deverá ter um controle para operação a meia carga. Operação interligada diretamente à rede com auxílio de um conversor Esta operação com um conversor (retificador/inversor) possibilita o uso de turbinas com rotação variável, apresentando pequenas oscilações de potência. Entretanto este arranjo produz transitórios de alta freqüência que deverão ser corrigidos por filtros com conseqüente aumento dos custos, o conversor também acarretará em um custo adicional e uma perda de rendimento. Por outro lado haverá maior geração de energia e menores esforços do vento na turbina. Um turbina eólica interligada à rede poderá apresentar oscilações de tensão e potência, harmônicas e sobretensões

Determinação da potência O desempenho de uma turbina eólica com relação à geração de energia pode ser determinado a partir da curva de potência ou de geração anual de energia, ambas como funções da velocidade média anual do vento. Da curva de potência obtém-se a potência gerada diretamente em função da velocidade. Já para avaliação da geração anual de energia, deve-se também levar em consideração as condições do local de instalação da turbina para a qual a curva de energia foi levantada. Os compradores de turbina eólica devem sempre observar que a medição de curva de potência e a determinação dos valores de geração anual de energia são específicas para um determinado local , cujas características, tem sempre significado e devem ser sempre informadas. Existem normas especificas e instituições especializadas na aferição e certificação das curvas de desempenho de turbina eólica. Aspectos ambientais A energia eólica é uma forma de energia limpa e renovável que causa poucos impactos ambientais, entre os quais destacamos a emissão de ruídos e a interferência visual na paisagem, causadas por uma turbina eólica. A implantação de uma turbina eólica requer uma cuidadosa escolha do local de instalação, na qual as condições de vento tem uma importância fundamental. Não menos importante nesta escolha são as leis ambientais do local, especialmente quanto ao zoneamento e a emissão de ruído. Além destes aspectos, existe a preocupação com a possível matança de pássaros, que está sendo objeto de inúmeros estudos para se verificar seu real impacto e procedimentos mitigadores. Deve ser considerado que a geração eólica tem impacto ambiental pequeno e localizado se comparado com a geração termoeléctrica com combustíveis fósseis ou nuclear.

Usina Eólio-Elétricas A implantação de mais de uma turbina eólica em uma área configura uma usina eólica ou usina eólio-elétrica, podendo ter até milhares de turbinas, como aliás ocorre nas windfarms na Califórnia. O regime de funcionamento de uma turbina eólica isolada é distinto das turbinas agrupadas em uma usina. Isto devido a que com a geração elétrica ocorre uma redução na velocidade do vento após a passagem pelo rotor da turbina, gerando um sombreamento para as turbinas subsequentes, conforme a direção do vento. A conseqüências do sombreamento são: - redução da geração de energia pelas turbinas abrangidas pelo

sombreamento, ocasionado pela diminuição da velocidade do vento; - aumento dos esforços mecânicos nas turbinas devido ao maior nível de

turbulência que ocorre na área de sombreamento. E os fatores que influenciam nos efeitos do sombreamento são: - a alocação das turbinas na usina - a direção do vento - a velocidade do vento - o tipo de turbina empregado - o nível de turbulência local Na locação das turbinas é importante considerar a distancia relativa entre estas, quanto maior, maior será a recuperação do vento em relação às condições iniciais. Custo da energia eólica Como já foi anteriormente citado, a continuidade das pesquisas e o incremento espetacular de unidades instaladas proporcionou uma acentuada redução nos custos da instalação e da energia gerada, especialmente na década de 90. Hoje em dia o custo das instalações oscila entre 800 e 2.000 US$/KW instalado, sendo extremamente competitivo inclusive quando comparado com a turbina a gás. Também a eletricidade eólica que nas décadas de 70 e 80 atingia valores de 10 a 35 centavos de dólar por quilowatt/hora (100 US$/MWh a 350 US$/MWh), caiu para cerca de 5 centavos de dólar por quilowatt/hora (50 US$/MWh) em 1995 e 4 centavos (40 US$/MWh), em 2001. Já se vislumbra custo de US$0,03 por kwh para breve.