Apostila energia eólica

UNIJUI – UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO
ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DETEC – DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO
UNIDADE ACADÊMICA DE GARANHUNS
CURSO DE AGRONOMIA
ENERGIA EÓLICA
ENÉIAS V. J. DÜRKS
Prof. Luiz Carlos Martinelli Jr.
Adaptado por Roberto Carlos Orlando
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 3
2. ENERGIA EÓLICA ..................................................................................................... 3
2.1 - Origens Históricas ................................................................................................ 3
2.2 – O surgimento dos moinhos de vento ................................................................... 5
2.3 - Os primeiros sistemas de controle de potência .................................................... 6
2.4 - Aerogeradores ...................................................................................................... 6
2.5 – Os usos da energia eólica .................................................................................... 7
2.6 – Circulação global do vento .................................................................................. 7
2.7 – Origem dos ventos ............................................................................................... 8
2.9 – Regras gerais da energia eólica ........................................................................... 9
2.10 – Formas de Captação da Energia dos Ventos ................................................... 10
2.10.1 – Turbinas .................................................................................................... 10
2.10.2 – Principais Tipos de Turbinas Eólicas ....................................................... 11
2.10.3 – Geradores .................................................................................................. 14
2.10.4 – Sistema Fixo ............................................................................................. 16
2.11 – Configuração de fornecimento, e sistemas de armazenamento ....................... 16
2.12– Projeto para captação de energia eólica ............................................................ 17
2.13 – Panorama da energia eólica ............................................................................. 20
2.13.1 – Custo da Energia Eólica Brasileira ........................................................... 23
2.13.2 – Potencial Eólico do Brasil ........................................................................ 24
3. CONCLUSÕES .......................................................................................................... 25
4. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................ 25
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1. INTRODUÇÃO
Uma das preocupações do Mundo de hoje é a questão relativa à energia visto
que a imensa maioria da energia utilizada no planeta é de origem não renovável, e o
aproveitamento desta ainda não atingiu um nível satisfatório. Sendo de fonte mineral,
atômica, térmica ou das águas, a energia pode ser utilizada de forma mais civilizada e
menos dispendiosa, por meios de fontes renováveis como a energia eólica, solar, das
marés, geotérmica e de outras mais.
Esta apostila tem como objetivo dar suporte ao estudo do aproveitamento da
energia eólica, que como todas as demais, possui certas vantagens e desvantagens. Além
de esta ser uma fonte de energia renovável, possui certa diferença em relação às demais,
pois pode ser utilizada para o fornecimento de energia para pequenas populações onde
não há um acesso a rede elétrica sem grandes investimentos. Dessa forma as pessoas
podem montar um módulo de energia próprio não necessitando estar conectada a rede
de uma concessionária.
Algumas desvantagens devem ser levadas em conta, dentre elas, o barulho
provocado, que não é muito elevado se o sistema for freqüentemente vistoriado e a área
ocupada que deve ser específica (sem muitas elevações e civilizações por perto). Além
disso, como a tecnologia ainda não está totalmente desenvolvida, o seu custo de
instalação é um pouco elevado, necessitando de um estudo de viabilidade econômica,
entraves que podem ser superados com o desenvolvimento desta tecnologia.
2. ENERGIA EÓLICA
2.1 - Origens Históricas
É impossível apontar com precisão o momento na história, de quando o homem
parou de vagar em busca de alimento e abrigo e começou a refletir sobre as forças que
governavam a sua existência.
O brilhantismo da razão humana viveu um período negro, devido ao homem cair
em prece à superstição e ao misticismo que correu desenfreado através do mundo. A
ciência manteve-se ativa por poucos homens devido a habilidade dos anciões em
transmitir esses conhecimentos às novas gerações que os sucederam. Porém, alguns
conhecimentos e informações úteis foram transmitidos e o homem iniciou a busca para
aproveitar as forças da natureza como a chuva, o calor e o vento.
Tudo indica que as primeiras utilizações de energia eólica deram-se com as
embarcações, algumas publicações mencionam vestígios de sua existência já por volta
de 4.000 a.C., testemunhado por um barco encontrado num túmulo sumeriano da época,
no qual também havia remos auxiliares.
Acredita-se que foram os egípcios os primeiros a fazer uso prático do vento. Em
torno do ano 2800 a.C. eles começaram a usar velas para somar à força dos remos dos
escravos. Eventualmente, as velas ajudavam o trabalho da força animal em tarefas como
moagem de grãos e bombeamento de água.
Por volta de 1.000 a.C. os fenícios, pioneiros na navegação comercial, se
utilizavam de barcos movidos exclusivamente a força dos ventos. Ao longo dos anos
vários tipos de embarcações a vela foram desenvolvidos, com grande destaque para as
Caravelas – surgidas na Europa no século XIII e que tiveram papel destacado nas
Grandes Descobertas Marítimas.
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Os persas começaram a usar a força do vento poucos séculos antes de Cristo, e
pelo ano 700 d.C. eles estavam construindo moinhos de vento verticais elevados ou
panemones, para ser usado como força nas mós, na moagem de grãos.
Outras civilizações do oriente médio, mais notavelmente os muçulmanos
continuaram onde persas deixaram e construíram seus próprios moinhos de vento. Com
o retorno das cruzadas, pensou-se que eles tinham trazidos idéias sobre moinhos de
vento e desenhos para a Europa, mas provavelmente foram os holandeses que
desenvolveram o moinho de vento horizontal com hélices, comuns nos campos dos
holandeses e ingleses.
A força do vento e da água logo tornaram-se a fonte primária da energia
mecânica medieval inglesa. Durante esse período, os holandeses contaram com a força
do vento para bombeamento de água, moagem de grãos e operações de serraria.
Na edição especial da revista Motor 3 - "100 Anos do Automóvel" -, é
mencionado que no ano de 1600, o Almirante holandês Maurício de Nassau - Tio do
administrador, homônimo, do território brasileiro dominado pela Holanda de 1.636 a
1644, durante a luta da independência da Holanda contra a Espanha, idealizou uma
canhoneira terrestre dotada de rodas, sendo as traseiras providas de mecanismo
esterçante controlado por tirante, o veículo seria impulsionado por velas idênticas as das
embarcações marítimas. A construção ficou a cargo do seu engenheiro Symon Stevin,
tendo a mesma sido construído com madeira e lona, conseguindo a façanha de, com
vinte e oito homens a bordo e favorecida pelos ventos fortes e constantes da costa
holandesa, cobrir os 80 km que separam Le Havre de Petten, em exatamente duas horas,
num ataque surpresa aos espanhóis. Este veículo batizado por seu construtor de
"zeylwagen", ou carro a vela, aparece como o primeiro a não depender da propulsão
muscular.
As embarcações a vela dominaram os mares durante séculos, até que o
surgimento do navio a vapor, em 1807 veio dividir este domínio, mas pelo fato de exigir
menores custos em contrapartida a menor regularidade oferecida no tempo dos trajetos,
o veleiro conseguiu manter o páreo por um bom tempo, só vindo a perder a
concorrência no início do século XX, quando foi praticamente abandonado em favor do
vapor. Atualmente os maiores usos das embarcações a vela estão no esporte e lazer.
Os melhoramentos técnicos continuaram a ocorrer em tais áreas, como na
fabricação de lâminas aerodinâmicas, desenhos de engrenagens e de forma geral os
desenhos dos moinhos de vento. As máquinas mais velhas eram os moinhos de vento
em pilar com o propelente montado no topo do pilar assentado no chão. O pilar servia
como pivot que permitia ao obreiro direcionar seu moinho de vento da melhor forma na
direção do vento.
Os desenhos dos moinhos em poste, ou pilastra, logo foram envolvidos dentro de
um capitel, no qual os mancais eram partes do capitel que seguravam as lâminas. As
pessoas tinham que direcionar sua máquina de vento, até a invenção em 1750, da
ventoinha, um direcionador automático acionado pelo próprio vento.
Os primeiros moinhos de vento nas novas colônias inglesas eram duplicatas das
máquinas inglesas. Muitos dos desenhos melhorados na Holanda, eram virtualmente
ignorados. Pelos anos de 1850, Daniel Halliday começou a desenvolver o que se tornou
no famoso moinho de vento americano de fazenda. Usado principalmente para bombear
água, essa máquina é o familiar moinho de vento multi-lâmina, ainda hoje visto em
muitas áreas rurais.
Mesmo hoje, as fazendas de gado, não seriam possíveis em muitas partes da
América, Europa e Austrália, sem essa máquina.
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A geração de eletricidade pelo vento começou em torno do início do século, com
alguns dos primeiros desenvolvimentos creditados aos dinamarqueses. Pelo ano de
1930, em torno de uma dúzia de firmas americanas estavam fazendo e vendendo esses
"carregadores de vento", na maior parte aos fazendeiros do ventoso Great Plains.
Tipicamente, essas máquinas poderiam fornecer até 1000 watts (1kW) de corrente
contínua quando o vento estava soprando.
Então chegou a Administração Rural de Eletrificação (ARE), um programa
subsidiado pelo governo americano com a finalidade de estender linhas de força às
fazendas e propriedades rurais em lugares remotos.
Muitos países europeus construíram enormes geradores de vento. Durante os
anos 1950 e 1960, os franceses construíram desenhos avançados de unidades de 100 kW
a 300 kW.
Os alemães construíram geradores de vento, mas por causa da rígida competição
dos geradores de fluído fóssil (termelétricas), essas máquinas experimentais foram
eventualmente descartadas.
Uma das mais memoráveis máquinas de vento, foi a máquina de Smith-Putman,
construída perto de Rutland, Vermont- USA, durante os anos 1940. Esta enorme
máquina com lâminas de 50 m, foi desenhada para fornecer 1250 kW, para a malha de
forças de Vermont. Por um período curto de tempo ela entregou 1500 kW, mas a
escassez de material devido a época da guerra e a carência de dinheiro trouxe um fim a
este projeto depois que os ventos quebraram uma das duas lâminas de 8 toneladas.
No início da década de 70, com a crise mundial do petróleo, houve um grande
interesse de países europeus e dos Estados Unidos em desenvolver equipamentos para
produção de eletricidade que ajudassem a diminuir a dependência do petróleo e carvão.
Mais de 50.000 novos empregos foram criados e uma sólida indústria de componentes e
equipamentos foi desenvolvida.
2.2 – O surgimento dos moinhos de vento
É difícil afirmar com segurança a época em que surgiram os primeiros moinhos
de vento, há indicações sobre tais motores primários já no século X. Este assunto é bem
dissertado no livro ". Uma História das Invenções Mecânicas" de Abbot Payson Usher,
editado pela primeira vez em 1929 e reproduzido no Brasil pela editora Papirus Ciência,
o livro cita relato de geógrafos descrevendo moinhos de ventos usados no Oriente
Médio para bombeamento d’água. O mesmo aponta ainda referências diversas como
historias e crônicas - mas, neste caso, considerando sua veracidade incerta - que
mencionam o uso dos moinhos de vento já em 340 d.C.
Ainda conforme a citada publicação, até a sua introdução na Europa por volta do
século XII, os moinhos de vento eram projetados em função da direção predominante
dos ventos, tendo o seu eixo motor direção fixa. As características de variação de
intensidade e direção dos ventos na Europa incentivaram a criação de mecanismos para
mudança de direção do eixo dos cataventos, surgindo então os primeiros modelos onde
o eixo das pás podia ser girado em relação ao poste de sustentação.
Na Holanda, onde os moinhos de vento eram usados desde o século XV para
drenarem as terras na formação dos pôlderes, a invenção dos moinhos de cúpula
giratória, que permitia posicionar o eixo das pás em função da direção dos ventos, é
registrada como um grande incremento de capacidade destes, e grande progresso nos
sistemas de dessecamento.
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2.3 - Os primeiros sistemas de controle de potência
A revolução industrial trouxe consigo as invenções das máquinas de produção,
como os teares industriais, tais máquinas assim como os moinhos de farinha, exigiam
uma certa constância da velocidade, evidenciando uma das desvantagens da energia
eólica em relação a força animal e a roda d´água, que é o fato de sua ocorrência ser
irregular e de intensidade variável. Para contornar a variação de intensidade surgiram,
ainda no século XVI, os primeiros sistemas de controle ou limitação de potência, sendo
mencionados o freio aplicado ao eixo das pás - existindo inclusive esquemas de
Leonardo da Vinci de um freio de cintas aplicado a roda acionadora - e a inclinação do
eixo das pás em relação ao horizonte. Tais aperfeiçoamentos permitiram integrar os
moinhos de vento também a estas unidades produtivas, e até o século XVIII - século do
surgimento da máquina a vapor - os moinhos de vento, juntamente com as rodas d’água,
marcavam muitas paisagens.
2.4 - Aerogeradores
Com o surgimento da máquina a vapor, dos motores de combustão interna e das
grandes usinas de eletricidade ligadas a rede de distribuição, os sistemas eólicos foram
relegados a um segundo plano por um bom tempo, permanecendo em algumas
aplicações, como o bombeamento d’água em áreas rurais e salinas, além de outras mais
raras.
Durante a crise do petróleo, na década de 70, a energia eólica voltou a ser
bastante cogitada, e os avanços da aerodinâmica e o surgimento da eletrônica,
permitiram o aparecimento de aerogeradores muito eficientes e com o custo por kW,
quando utilizado em sistemas de grande porte interligados a rede de distribuição,
comparável com o das hidroelétricas. Devido a isso, desde a década de 80, tem sido
cada vez mais comuns a instalação de parques eólicos em vários países principalmente
da Europa e nos Estados Unidos, atualmente podem ser encontrados em nível comercial
aerogeradores com potências nominais de até 1,5MW.
Os aerogeradores pequenos para sistemas autônomos de carregamento de
baterias, também evoluíram bastante incorporando novas tecnologias, tendo com isto
ampliando muito sua faixa de utilização, existe atualmente varias opções na faixa de 50
a 600W nominais.
No Brasil o primeiro aerogerador de grande porte foi instalado no arquipélago de
Fernando de Noronha, em 1992, tratando-se de uma turbina de 75KW, com rotor tripá
de 17 metros de diâmetro, tendo o mesmo sido integrado ao sistema de fornecimento de
energia, formando um sistema híbrido com o gerador diesel já existente na ilha,
patrocinando uma economia de aproximadamente 10% no consumo de diesel, alem da
redução de emissão de poluentes.
O Atlas Eólico da Região Nordeste (CBEE & ANEEL - 1998), demonstra o
grande potencial que o Brasil tem a explorar, dispondo ao longo da costa grandes áreas
de ventos bastante regulares e de boa velocidade. Em 1998 foi inaugurada em SorocabaSP, a Wobben Windpower, subsidiária da ENERCON, passando a produzir no país
aerogeradores com potência de 600 KW.
Com a instalação, em janeiro de 1999, do parque eólico de Palmas no Paraná primeiro parque eólico da região Sul - o incremento de seus 2,5 MW, promoveu a
elevação da potência instalada no país, que já ultrapassa os 20MW. Atualmente os
maiores parques instalados são os do Ceará, representados pelo de Taíba com 5 MW e o
de Prainha com 10 MW. Em Minas Gerais encontra-se o de Gouvêia com 1 MW.
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2.5 – Os usos da energia eólica
A energia eólica ou energia dos ventos, tem sido utilizada há vários séculos, sob
as mais diversas formas e para as mais diversas aplicações. Hoje, a energia eólica pode
ser direcionada para prover algumas ou muitas tarefas úteis tais como: bombeamento de
água, geração de eletricidade, aquecimento, etc.
Vamos examinar algumas dessas tarefas mais detalhadamente.
-Bombear água é um uso primário de energia eólica. Daniel Halliday e outros
começaram fabricar cata-ventos multi-lâminas com este propósito na metade do século
XIX. O trabalho de Halliday coincidiu com os avanços nas indústrias de bombas de
água de ferro.
Brevemente a combinação de máquina de vento e bombas de água tornou
possível bombear poços profundos e prover água para locomotivas a vapor, por
exemplo. O vento também tem sido direcionado para prover energia mecânica para
moagem de grãos, operações de serrarias, etc.
A eletricidade pode energizar quase tudo e desta forma sua produção através da
força do vento será substancialmente maior que as outras formas de conversão. Nós
podemos bombear água, aquecer ambientes, ligar máquinas diversas, moer grãos, e
realizar muitas outras tarefas, apenas usando a energia na forma de eletricidade, o que
mostra ser a eletricidade, uma forma muito cômoda de distribuição de energia.
A seguir apresenta-se um esquema dos passos envolvidos no planejamento e
desenvolvimento de um sistema de energia eólica com sucesso.
Este organograma pode ser muito útil para aqueles que realmente queiram
montar seu próprio sistema de aproveitamento da energia dos ventos.
2.6 – Circulação global do vento
Energia eólica é uma forma de energia solar. Os ventos aliviam a temperatura
atmosférica e as diferenças de pressão causadas pelo aquecimento irregular da
superfície da Terra. Enquanto o sol aquece o ar, água e terra de um lado da Terra, o
outro lado é resfriado por radiação térmica para o espaço. Diariamente a rotação da
7
Terra espalha esse ciclo de aquecimento e resfriamento sobre sua superfície. Mas, nem
toda superfície da Terra responde ao aquecimento da mesma forma. Por exemplo, um
oceano se aquecerá mais lentamente que as terras adjacentes porque água tem uma
capacidade maior de "estocar" calor.
Dessa diferente taxa de aquecimento e resfriamento são criadas enormes massas
de ar com temperatura, mistura e características de massas de ar oceânicas ou terrestres,
ou quentes e frias. A colisão destas duas massas de ar, quente e fria, geram os ventos da
Terra.
2.7 – Origem dos ventos
Diferença de temperatura entre a camada próxima da superfície da terra aquecida
pelos raios solares e as camadas superiores da nossa atmosfera, geram correntes
convectivas.
A energia da radiação solar, sendo responsável pelo movimento convectivo do
ar, direciona as correntes da nossa atmosfera, que sobem no equador e descem nos
pólos, condensando vapores, precipitando energia sob a forma de chuva.
As correntes ascendentes do equador são mais intensas do que as das outras
zonas da terra, por isso produzem ventos de 30 a 50 km horários e a rotação da terra,
interfere com a direção dos ventos, entre os pólos e o equador, provocando uma
resultante inclinada em relação a perpendicular pelo equador.
Perturbações magnéticas solares produzem os ventos de grandes altitudes,
conhecidos pelos aeronautas como tempestades de céu claro, depois estudos mais
acurados, comprovaram existirem as correntes de grandes altitudes, utilizadas para
economizar combustível nos vôos intercontinentais.
Os centros de baixa pressão que ocorrem na superfície da terra, produzem
correntes ascendentes de 100 milhas por hora e ventos de superfície de igual
intensidade, convergentes para o centro de baixa pressão, que, influenciados pelos
desvios da rotação da terra, geram movimentos rotacionais, conhecidos como furacões,
tão comuns na região do equador.
2.8 – Relação entre velocidade do vento e altura
A velocidade do vento em um determinado local aumenta drasticamente com a
altura. A extensão pela qual a velocidade do vento aumenta com a altura é governada
por um fenômeno chamado "wind shear". Fricção entre ar mais lentos e mais rápidos
conduz ao aquecimento, velocidade do vento mais baixa e muito menos energia de
vento disponível perto do solo.
Apresentamos abaixo uma figura que ilustra as diferentes áreas (urbana,
subúrbios, ou ao nível do mar) e a relação entre suas alturas e velocidades de ventos.
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Com este esquema, podemos perceber que regiões que possuem construções
elevadas como prédios, só atingem velocidades razoáveis de vento após uma elevada
altura. Já nas áreas em que só existem casas e pequenas construções, esta taxa diminui e
assim, em alturas um pouco menores já temos ventos satisfatórios; no último caso
mostrado, ao nível do mar, se vê que os ventos já são muito mais rápidos em altitudes
menos elevadas que nos exemplos anteriores.
Como já dito acima, a potência teórica gerada pelas "máquinas de vento" varia
com o cubo da velocidade do vento local. Isto, mais uma vez evidencia o quanto é
necessário uma análise prévia do lugar onde se pretende instalar os equipamentos, para
que se tenha um aproveitamento melhor da potencialidade da energia eólica.
Assim, a conversão de energia eólica em regiões com muitos obstáculos fica
prejudicada. Porém, mesmo nestas regiões é possível o aproveitamento, mesmo que já
em escalas menores. O que é preciso saber é se nestas regiões onde há um
aproveitamento mais restrito é ainda viável economicamente se construir tais
equipamentos para se converter a energia eólica para eletricidade, por exemplo.
Existe uma regra prática que permite a utilização de cata-ventos em regiões que
possuem construções e/ou obstáculos naturais, tais como árvores muito grandes ou
elevações (morros) no solo. Esta regra diz que o cata-vento nestas regiões tem que ficar
a uma distância mínima de 7 vezes a altura que o obstáculo tem, ou seja, se numa casa
de 5 metros de altura, por exemplo, se desejar implantar um sistema de captação e
conversão da energia eólica, este sistema deverá estar a uma distância de 35 metros para
que haja um aproveitamento melhor dos geradores e que as turbulências causada pela
uniformidade do chão, das construções e dos obstáculos naturais sejam minimizadas,
não interferindo muito no aproveitamento do sistema.
2.9 – Regras gerais da energia eólica
Existe uma regra que dá a potência gerada pelos cata-ventos e turbinas de vento.
É importante ressaltar que esta regra é teórica e na prática, não conseguimos converter
toda essa potência (teórica) em potência útil.
A taxa de conversão é de aproximadamente de 59% , quando o sistema funciona
de maneira otimizada.
De maneira sucinta a demonstração desta fórmula é: Potência é igual ao trabalho
(Energia) dividido pelo tempo:
W
P
t
9
Mas, o trabalho realizado pelo vento - que neste caso é igual a sua energia
cinética - é:
mV 2
W  Ec 
2
Então:
mV 2
mV 2
m
P  2 ou P 
, mas como
 m  Q   .V . A , temos:
t
t
2t
V 3 A
P
2
Onde:
 é a densidade do ar, V é a velocidade do vento e A é a área varrida pelas
hélices do rotor. Esta é a fórmula mais importante para se conhecer o aproveitamento da
energia eólica.
Como exemplo, se um vento passa de 10 km/hora para 11 km/hora (aumento de
10%) a potência se eleva em 33%, o que mostra como é importante a escolha de um
lugar com vento mais velozes para o melhor aproveitamento da energia eólica.
Outro exemplo é sobre a área varrida pelo rotor. Com um hélice de 3 m de
diâmetro e um vento de 32 km/hora teríamos uma potência de 1000 W; se dobrarmos o
diâmetro da hélice para 6 m e mantivermos o vento em 32 km/hora a potência irá para
4000 W. Isto ocorre porque a área varia com o quadrado do raio, ou seja, dobrando-se a
área do rotor aumentamos potência em quatro vezes.
2.10 – Formas de Captação da Energia dos Ventos
Podemos captar a energia eólica de diversas maneiras:
- Velas: Usadas só desportivamente;
- Cata-ventos;
- Turbinas: Grandes turbinas acopladas a geradores;
- Sistema fixo:Baseado no princípio Magneto-aerodinâmico
2.10.1 – Turbinas
Atualmente, grandes turbinas são instaladas em grandes áreas, formando "farms"
(fazendas) para geração de grandes quantidades de energia, depois que alguns
problemas foram resolvidos.
Controle indireto da inclinação do eixo horizontal por meio de um sistema
cíclico da inclinação do eixo, criado por cientistas da Universidade de Saint Louis Missouri - USA, baseado no princípio do helicóptero, para eliminar excesso de carga e
vibração nas tempestades.
Turbinas melhoradas com convergedor afunilado guiando o vento para as pás,
para aumentar a produção de energia, segundo o autor Ken Foreman, da Gruman
Aeronautic, fabricante de helicópteros.
Na Dinamarca, na Península de Hurup Thy, situada no noroeste daquele país,
com 25 mil habitantes, 40 % da energia elétrica em 1992, já era fornecida por turbinas
aerogeradoras, 3% de toda energia consumida no país é gerada eolicamente e para o ano
2000 está previsto 10 %.
10
No Brasil, o primeiro gerador eólico para 75 kw, foi instalado em 1992 na Ilha
de Fernando de Noronha, resultado de um convênio celebrado entre o Folkecenter da
Dinamarca, com a Celpe e UFPE. A torre tem 23 m de altura e a hélice tripás, tem 17 m
de diâmetro.
Aconteceu algo de inusitado naquela instalação, pois os engenheiros
dinamarqueses quando terminaram o serviço, ordenaram a partida da turbina, porém
nada aconteceu. Nova checagem de todas as ligações, contatos, tudo, liga de novo, "o
equipamento permanecia indiferente, como um componente insólito daquela bela
paisagem da ilha" assim reportou o Jornal Tecnologia em Pernambuco, na edição de
abril de 1993. Depois de muitas tentativas infrutíferas, chegou a data dos técnicos
dinamarqueses voltarem, eles se foram deixando o "abacaxi" sem descascar para os
técnicos da Celpe, que também não tinham ao menos o "canivete" dos esquemas. A
"caixa preta" sobrou para Norton Lima Verde, que com seus conhecimentos de
eletrônica digital adquiridos no ITA, decifrou os "hieróglifos dos circuitos integrados"
desenhando tudo com paciência e competência, então “despois” de três meses a turbina
funcionou. (O crifo é nosso).
2.10.2 – Principais Tipos de Turbinas Eólicas
Os aerogeradores e aeromotores costumam ser classificados pela posição do eixo
do seu rotor, que pode ser vertical ou horizontal, e pela velocidade. Os de eixos verticais
independem da direção do vento e os de eixos na horizontal devem ser providos de leme
direcional para aproar sempre o vento. A velocidade e a direção dos ventos são medidas
com instrumentos chamados anemômetros.
A seguir mencionam-se os principais modelos relativos aos tipos de
classificação citados.
EIXO HORIZONTAL
Esta disposição necessita de mecanismo que permita o posicionamento do eixo
do rotor em relação a direção do vento, para um melhor aproveitamento global,
principalmente onde se tenha muita mudança na direção dos ventos. Encontra-se ainda
moinhos de vento seculares com direcionamento do eixo das pás fixo, mas situam-se
onde os ventos predominantes são bastante representativos, e foram instalados em
épocas em que os citados mecanismos de direcionamento ainda não haviam sido
concebidos.
Os principais modelos diferem quanto às características que definem o uso mais
indicado, sendo eles:
- Rotor multipás - atualmente representa a maioria das instalações eólicas, tendo
sua maior aplicação no bombeamento d’água. Suas características tornam seu uso mais
próprio para aeromotores, pois dispõe de uma boa relação torque de partida / área de
varredura do rotor, mesmo para ventos fracos, em contrapartida seu melhor rendimento
encontra-se nas baixas velocidades, limitando a potência máxima extraída por área do
rotor, que não é das melhores, tornando este tipo pouco indicado para geração de
energia elétrica. O fato de alguns autores de livros, escritos em outras décadas,
contrariamente a percepção atual, apontarem-no como sendo a melhor opção devido a
sua característica de menor variação de velocidade do rotor em função da velocidade do
vento, devia-se as limitações de controle da curva de tensão de saída dos sistemas de
geração de energia disponíveis naquelas épocas, o que restringia o aproveitamento da
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energia gerada, a uma faixa estreita de velocidade do rotor. Com o desenvolvimento da
eletrônica este panorama mudou, pois os sistemas atuais podem ser facilmente
projetados para uma faixa de velocidade bastante ampla e com um rendimento bastante
satisfatório, passando o fator determinante a ser a potência obtida pelo rotor em relação
a área de varredura, onde os modelos de duas e três pás se destacam com um
rendimento muito superior.
Catavento Multipá com bomba d´água
- Rotor de três ou duas pás: é praticamente o padrão de rotores utilizados nos
aerogeradores modernos, isto se deve ao fato da grande relação de potência extraída por
área de varredura do rotor, muito superior ao rotor multipás (embora isto só ocorra em
velocidades de vento superiores), pois além do seu rendimento máximo ser o melhor
entre todos os tipos, situa-se em velocidades mais altas. Entretanto, apresenta baixos
valores de torque de partida, e de rendimento para velocidade baixas, características que
apesar de aceitáveis em sistemas de geração de eletricidade, incompatibilizam seu uso
em sistemas que requeiram altos momentos de força e ou carga variável.
Turbina de eixo horizontal tripá com gerador de 75 kW
12
EIXO VERTICAL
A principal vantagem das turbinas de eixo vertical é não necessitar de
mecanismo de direcionamento, sendo bastante evidenciada nos aeromotores por
simplificar bastante os mecanismos de transmissão de potência.
Como desvantagens apresentam o fato de suas pás, devido ao movimento de
rotação, terem constantemente alterados os ângulos de ataque e de deslocamento em
relação a direção dos ventos, gerando forças resultantes alternadas, o que além de
limitar o seu rendimento, causa vibrações acentuadas em toda sua estrutura.
Rotor Savonius
Apresenta sua curva de rendimento em relação a velocidade próxima a do rotor
de multipás de eixo horizontal, mas numa faixa mais estreita, e menor amplitude, seu
uso, como o daquele, é mais indicado para aeromotores, principalmente para pequenos
sistemas de bombeamento d´agua, onde o custo final devido a simplicidade do sistema
de transmissão e construção do rotor propriamente dito, podem compensar seu menor
rendimento.
Turbina Savonius de eixo vertical
Rotor Darrieus:
O engenheiro francês chamado D. G. Darrieus inventou a moderna turbina de
vento de eixo vertical, incluindo uma convencional de duas lâminas. Diferente das
turbinas convencionais, que são reorientadas de acordo com o vento, esta é
unidirecional, isto é, aceita o vento de qualquer direção vinda. Como o seu rotor e suas
partes elétricas são na parte inferior da turbina, sua manutenção é muito mais prática,
além de permitir uma variabilidade de aplicações elétricas e mecânicas maior que as
demais. A contribuição tecnológica é que lâminas curvadas são de maior durabilidade
que as lâminas verticais .
Como as outras turbinas, esta pode ser aplicada com duas, três ou mais lâminas.
A Califórnia já mudou algumas de suas turbinas de duas para três lâminas durante o
meio do ano de 1990.
Por ter curva de rendimento característica próxima a dos rotores de três pás de
eixo horizontal, são mais compatíveis com o uso em aerogeradores, mas como nestes,
os sistemas de transmissão já são bastante simples, seja qual for o tipo de disposição do
eixo do rotor, o Darrieus perde uma das vantagens comparativas. Além disto a
necessidade de sistema de direcionamento para o outro tipo de rotor, é compensada pela
facilidade de implementação de sistemas aerodinâmicos de limitação e controle de
potência, que amplia a faixa de utilização em relação a velocidade dos ventos e deixa-o
muito menos susceptível a danos provocados por ventos muito fortes. Desta forma o
13
Darrieus parece ficar em plena desvantagem em relação ao rotor de eixo horizontal,
sendo seu uso pouco notado.
Turbinas Darrieus de eixo vertical
Turbina Darrieus de eixo vertical e pá reta
2.10.3 – Geradores
Até agora, falamos das leis que regem a energia eólica, suas origens, influência
da urbanização na velocidade dos ventos e a relação entre altura e velocidade dos
ventos; mas não falamos ainda em como fazer a conversão entre a energia mecânica
fornecida às pás e ao eixo do rotor para eletricidade.
A eletricidade, como já foi dito acima, é uma forma muito cômoda de se
transmitir energia, assim, é importante falarmos um pouco sobre os instrumentos que
fazem esta conversão, da energia mecânica - fornecida pelos ventos - para a
eletricidade, uma forma prática e limpa de se transmitir e usar a energia.
Esta conversão é feita pelos geradores elétricos, que nada mais são do que
motores elétricos que ao girarem em torno de seus eixos induzem (pela lei de Faraday)
uma corrente elétrica em seus pólos. Gostaríamos de salientar neste ponto, que neste
trabalho não entraremos em detalhes estruturais ou funcionais dessas máquinas
elétricas, pois estaríamos assim fugindo um pouco do que pretendemos enfocar.
Existe uma gama muito grande de tipos e tamanhos de geradores usados hoje em
dia. Para dar um exemplo bem conhecido, gostaríamos de citar o alterador dos
automóveis, que é um pequeno gerador que converte a energia mecânica rotativa do
motor de combustão interna para eletricidade e carrega-a na bateria do automóvel, para
ser utilizada em momentos posteriores.
14
Os geradores podem ser basicamente dos tipos "AC" ou "DC", se converterem a
energia para a forma de corrente alternada ou contínua (direta), respectivamente. Nos
tipos de geradores de corrente contínua (DC), a energia é convertida, como o nome já
indica para a forma direta ou contínua de corrente elétrica e carrega uma bateria que
acumula esta energia para uso posterior. Esta forma de conversão é um pouco
incômoda, pois requer um banco relativamente grande de baterias para que se possa ter
uma quantidade de energia razoável num determinado lugar, e, além disso, nossos
utensílios domésticos e a grande parte dos aparelhos elétricos/eletrônicos são projetados
para funcionar ligados a corrente alternada devido as facilidades de transporte que esta
maneira proporciona. Assim, nos sistemas em que se usa geradores de corrente
contínua, é necessário que se tenha ligado juntamente ao sistema um inversor para que
se possa utilizar diretamente aparelhos elétricos.
Em compensação, esta forma permite que mesmo sem vento por algum tempo se
tenha energia disponível.
Já os geradores de corrente alternada (AC), geram a eletricidade, como o nome
diz, na forma de corrente alternada e pode ser usado diretamente nos nossos aparelhos
elétricos e eletrônicos do dia a dia.
Existem dois inconvenientes deste tipo de produção de eletricidade: o primeiro é
que não se é possível estocar energia na forma de corrente alternada, tendo que retificála por meio de diodos, por exemplo, para a forma contínua e armazená-la em bancos de
baterias; o segundo inconveniente é que os geradores de corrente alternada geram
correntes em freqüências que variam com a velocidade de giro do rotor, e como os
ventos variam muito, as freqüências geradas pelo gerador também variam muito; para
controlar este problema, visto que nosso sistema de energia tem que estar em torno de
60 Hz (Hertz), é preciso ligar ao sistema um dispositivo que mantenha a freqüência em
torno dos desejados 60 Hz; este dispositivo é chamado de inversor síncrono.
Dito isto, mostra-se logo a seguir um esquema que ilustra esses dois tipos de
sistemas. No sistema de estocagem utilizando baterias, a energia mecânica é convertida
para eletricidade na forma de corrente contínua e carrega um banco de baterias. Deste
banco, a energia passa por um inversor que a deixa na forma de corrente alternada
pronta para ser usada em suas aplicações.
No sistema conectado de energia, a conversão é feita diretamente para corrente
alternada e como já explicado acima, passa por um inversor síncrono para que sua
freqüência seja ideal. Após isto, a corrente vai para a caixa de fusíveis e passa aí por um
dispositivo seletor, que verifica se a corrente gerada pelo cata vento é suficiente para
suprir as necessidades da casa; se for suficiente o dispositivo não faz nada, porém se a
energia gerada pelo cata vento não for suficiente, este dispositivo seletor começa a
"aceitar" também a energia fornecida pelo sistema de eletrificação das ruas. Desta
maneira, o usuário deste sistema só usa a energia vinda da rua em situações em que o
vento não é ideal ou quando sua demanda supera a energia gerada por seu equipamento.
Acredita-se que a união entre estes dois sistemas possa ser muito interessante
para um grande número de pessoas e que um dia, talvez, seja este um sistema usual em
várias partes do mundo.
15
2.10.4 – Sistema Fixo
Um gerador eólico sem peças móveis, baseado no processo magneto-hidrodinâmico, ou seja um fluido ou gás cortando as linhas de um campo magnético, produz
eletricidade.
Na Universidade de Dayton - USA, os cientistas aperfeiçoaram um Gerador
Eólico por Dinâmica da Eletro-Fluidês, que carrega eletricamente gotículas d'água,
mediante um eletrodo de atração.
O vento ao forçar a passagem das gotículas, através do eletrodo coletor, cria um
fluxo de corrente, carregando o eletrodo, pois o sistema está energizado com 68 kv a
250 miliamperes e em laboratório, um modelo reduzido de 45 x 45 cm, gerou 16,3
watts, com vento de 40 km horário.
2.11 – Configuração
armazenamento
de
fornecimento,
e
sistemas
de
Apesar de ser uma fonte relativamente barata a energia eólica apresenta algumas
características que dificultam seu uso como fonte regular de energia, além de sua
ocorrência ser irregular para pequenos períodos, a quantidade de energia diária
16
disponível, pode variar em muitas vezes de uma estação do ano para outra, em um
mesmo local.
O fato da potência disponível variar com o cubo da velocidade do vento,
dificulta muito a questão do dimensionamento e a escolha do local para instalação,
limitando seu uso apenas em regiões de ventos fortes e relativamente constantes.
Atualmente os sistemas mais comuns de fornecimento de energia utilizando
sistemas eólicos são:
Sistemas eólicos de grande porte interligados a rede pública de distribuição – por
dispensarem sistemas de armazenamento são bastante viáveis representando atualmente
a maior evolução em sistemas eólicos, já apresenta custos paritários ao das hidrelétricas.
Nesta configuração os sistemas eólicos podem ter uma participação na ordem de 15%
do fornecimento total de energia, envolvendo a definição deste percentual estudos
específicos de vários fatores que garantam fornecimento regular e a qualidade de
energia do sistema interligado como um todo.
Sistemas híbridos diesel-eólico de médio porte - nestes os geradores eólicos
podem representar fator de economia de combustível com custos bem atraentes para
locais onde não dispõe da rede de distribuição interligada e dependam de geradores a
diesel para fornecimento de energia elétrica, como o motor diesel garante a regularidade
e estabilidade no fornecimento de energia, dispensando sistemas de armazenamento, e o
transporte do diesel representa um custo adicional, a implementação de aerogeradores é
neste caso bastante compensador e recomendado.
Sistemas eólicos autônomos/armazenamento - sistemas de energia eólica
autônomos para fornecimento regular de eletricidade, tornam-se bastante dispendiosos
devido as complicações dos sistemas de armazenamento, que devem compensar não só
as variações instantâneas e diárias, mas também compensar a variação da
disponibilidade nos períodos do ano, Sendo sua aplicação limitada a pequenos sistemas
para recarga de baterias, em regiões remotas, principalmente para fornecimento de
eletricidade para equipamentos de comunicação e eletrodomésticos, onde o benefício e
conforto compensam o alto custo por watt obtido.
Outros usos diversos a geração de eletricidade, como aeromotores para
bombeamento d’água são mais compatíveis com o uso singular da energia eólica.
Talvez o desenvolvimento de tecnologias de obtenção, aplicação e estocagem do
hidrogênio, venham a representar uma nova opção para um sistema de armazenamento
compatível com a energia eólica, possibilitando sistemas eólicos ou eólicos-solares
autônomos economicamente viáveis.
2.12– Projeto para captação de energia eólica
Para qualquer projeto envolvendo captação de energia eólica, tornam-se
necessários conhecimentos completos do comportamento do vento no local escolhido
para o empreendimento, pois os ventos variam de intensidade e direção a cada instante,
sendo necessário levantar dados de média durante o dia, média durante a noite,
variações do dia, variações da noite, formando gráficos semanais, quinzenais, mensais,
etc.
De modo geral, os aeromotores (cata-ventos), mesmo os de pequeno porte,
devem ser usados dentro dos limites de velocidade permitidos para cada tipo, para
obtenção da maior eficiência. Conhecendo-se os limites das curvas de eficiência de cada
tipo e as estatísticas das velocidades, podemos calcular os coeficientes de utilização,
pelo gráfico abaixo, que por sua vez, permitem determinar a energia recuperável de um
local selecionado, usando as curvas e estatísticas.
17
O coeficiente de utilização Ku, em relação à velocidade média é dado pela
seguinte equação:
t3
v
K u  Vn (t 2  t1 )   ( ) 3 dt
V
t2
3
sendo:
v - velocidade instantânea
V - velocidade média em m/s
Vn - velocidade nominal da máquina rpm
t1 - em dias no qual o vento é > V
t2 - em dias no qual o vento é > Vn
t3 - em dias com velocidade de vento suficiente para gerar energia conforme projeto
A energia cinética de uma massa de ar em movimento é dada pela equação:
m.v 2
Ec 
2
donde:
m = massa do ar em kg (+- 1,25 kg.m-3)
v = velocidade do vento em m/s
Sendo S a área da superfície apresentada ao vento.
A quantidade de energia cinética teórica
m.S .v 3
1,25.S .v 3
como m = 1,25 kg.m-3 Q 
2
2
Potência recuperável em W = joules/s = 0,625.S.V 3
Betz fez experiências chegando a um limite:
16
Potência recuperável Pr  .0,625.S .V 3 ou seja Pr  0,37.S.V 3
17
Q
sendo S 
D 2
4
A potência recuperável fica Pr  0,37.
D 2
.V 3 ou seja Pr  0,29.D 2 .V 3 , que é a
4
potência máxima de uma Máquina Eólica, considerando o rendimento em relação ao
limite de Betz, de acordo com o rendimento de cada tipo abaixo:
- Rendimento ideal 100 %
- Rendimento de hélice de 2 pás max.75 %
- Rendimento de hélice multipás max.50 %
- Rendimento de Rotor Darrieus max.60 %
- Rendimento do tipo Savonius max.25 %
- Rendimento do tipo Moinho Holandês >25 %
Como a potência recuperável depende da área oferecida e velocidade do vento,
vejamos como se comportam as superfícies que são expostas ao vento, lembrando que a
reação é sempre proporcional a área e ao quadrado da velocidade, temos que:
18
A potencia em Watts, também leva em consideração o diâmetro versus
velocidade em m/s. Outros elementos de um sistema aerogerador também interferem no
rendimento, como alternadores, redutores, baterias, hélice, etc., o rendimento final
máximo já alcançado é de 50% do Limite de Betz, para cada tipo.
Outro ponto importante é a orientação de todo o conjunto, em função da direção
do vento, que deve ser controlado por sensores, orientado por servo-motores e sujeito a
limite de diâmetro e velocidade, pelo fato de, com a mudança da direção do vento, o
triângulo de velocidade também pode mudar e por conseqüência o rendimento.
Desse modo para uma mesma velocidade de vento, poderemos ter potências
diferentes, em função dos diâmetros. Tomando-se a velocidade do vento junto a Estação
Meteorológica local, os dados que são anotados de hora em hora, sobre o vento, ou de 6
em horas, nos aeroportos, para preenchimento das cartas sinópticas, podemos
dimensionar um aerogerador, para experiências, com materiais disponíveis no mercado,
isto é: baterias, geradores de automóveis, hélice de alumínio, relay, etc.
Exemplo:
Estudo para dimensionar um aerogerador eólico, para uma praia da zona sul de
Pernambuco, para alimentar bateria, usando um gerador de Corcel, que gera 30 A em
12V a 3000 rpm.
Dados disponíveis
Tensão...................12v DC
Consumo P1...............5 A por 3 horas
Consumo P2...............1 A por10 horas
Dias sem vento...........5 dias
Dias com ventos >10 kt (nós)...15 dias
Vento de 10 kt (nós).....5,5 m/s
Dias com vento médio.....10 dias a 5,5 m/s
Rotação máxima...........1.000 rpm
Pede-se
Diâmetro da Hélice.....................?
Potência de consumo....................?
Capacidade das Baterias................?
Seqüência de cálculos:
Taxa de trabalho: Tb = (10hx1A+3hx5A)/24h = 1,042 A
Consumo equivalente: P = 12Vx(5A+1A).1,042 = 75 W/h
Para 5 dias sem vento:
P = 5 (3 x 75 ) = 1.125 w
P = 5 (10h x12Vx1Ax1,042) = 625 w
P1......Soma.......= 1.750 w
Reposição em 15 dias: P2 = 1.750W/(15d*24h) = 4,86 w/h
Potência do gerador: Pr = 75w/h + 4,86w/h = 79,86 w/h
Capacidade da bateria: B = 1750w/12V = 130 amp
O cientista Betz pesquisou e achou que a potência máxima, nas condições de
laboratório, que se poderia obter de um sistema gerador eólico, é dada por: Pr = 0,29 D2
19
V3 (Limite de Betz) e que na prática, só se consegue 50% do Limite de Betz, o que
resulta em:
Pr
, donde
Pr  0,5.0,29.D 2 .V 3 ou seja Pr  0,145.D 2 .V 3 , logo D 
0,145.V 3
79,86w / h
, donde o diâmetro da hélice é D = 1,82 m.
0,145.(5,5m / s) 3
Como para 2 pás a eficiência dos modelos testados pela NASA chega a 75%,
com área equivalente a 0,83 da velocidade máxima, verificando se temos vento
suficiente, fica:
Pr  0,75.0,29.D 2 .V 3 ou seja, Pr  0,2175.D 2 .V 3 e, isolando V3 temos
substituindo D 
Pr
79,86
, substituindo e calculando temos V  3
= 4,8 m/s,
2
0,2175.D
0,2175.1,82 2
donde: Velocidade mínima V = 4,8 m/s <5,5 m/s (velocidade média)
Das tabelas e gráficos de Kranert, temos para D = 2 m rpm, temos rpm max =
1.000, então a potência será:
O gerador disponível é de 30 amperes e 12V a 3.000 rpm:
Pr = 30 A x 12V = 360 W a 3.000 rpm
Logo para 1.000 rpm -----> Pr = 360/3 = 120 W/h
Respostas
Potência do gerador será 120 w/h > Pr (ok!)
Diâmetro da hélice será 1,82 m
Consumo será 79,86 W/h (Pr)
Capacidade da bateria será 130 A/h
V 3
Podemos considerar o aerogerador em movimento como uma superfície plana
perpendicular ao vento (considerando 0,83 da velocidade nominal, no caso a média),
cuja área é dada por 0,7854 D2, assim a pressão sobre a hélice, fica:
Pmax = 0,83 V2 A = 0,83 . 5,52 . 0,7854 . 1,812 = 64,6 N
Pmax = 64,6 N
Que, multiplicado pela altura da torre, dá o esforço na base do sistema de
sustentação.
2.13 – Panorama da energia eólica
A energia dos ventos é uma abundante fonte de energia renovável, limpa e
disponível em todos os lugares. A utilização desta fonte energética para a geração de
eletricidade, em escala comercial, teve início há pouco mais de 30 anos e através de
conhecimentos da indústria aeronáutica os equipamentos para geração eólica evoluíram
rapidamente em termos de idéias e conceitos preliminares para produtos de alta
tecnologia. Atualmente, a indústria de turbinas eólicas vem acumulando crescimentos
anuais acima de 30% e movimentando cerca de 2 bilhões de dólares em vendas por ano
(1999).
Existem, atualmente, mais de 30.000 turbinas eólicas de grande porte em
operação no mundo, com capacidade instalada da ordem de 13.500 MW. No âmbito do
Comitê Internacional de Mudanças Climáticas, está sendo projetada a instalação de
30.000 MW, por volta do ano 2030, podendo tal projeção ser estendida em função da
perspectiva de venda dos "Certificados de Carbono".
20
Na Dinamarca, a contribuição da energia eólica é de 12% da energia elétrica
total produzida; no norte da Alemanha (região de Schleswig Holstein) a contribuição
eólica já passou de 16%; e a União Européia tem como meta gerar 10% de toda
eletricidade a partir do vento até 2030.
Dinamarca
A Dinamarca investiu, nestes 15 anos, mais em energia elétrica que qualquer
outro país europeu. Isto é decorrente da longa tradição da utilização do vento como
forma de energia. A primeira turbina que gerou eletricidade foi construída em 1891. O
programa energético dinamarquês de hoje ainda faz parte do estabelecido em 1976. O
principal objetivo deste é fazer a Dinamarca menos dependente de suprimento de
energia importada. Subseqüentemente, argumentos em defesa do meio ambiente estão
sendo levados em conta.
Duas turbinas geradoras de 630 kW, cada, localizadas perto de Nibe, Dinamarca.
O país é uma peça chave no mercado das turbinas de vento, possuindo cinco
empresas que supriram 60% de toda a demanda mundial no ano de 1996. Estas cinco
empresas empregam mais de 2000 pessoas no país, e via terceirização, um adicional de
10000 empregos. Apenas em 1996, a indústria vendeu 1360 turbinas, dentre as quais
944 para 21 países diferentes.
Os maiores compradores são Alemanha (26%), Espanha (12%), e Inglaterra
(10%). O total de vendas alcançou um pico em 1997 com 1654 turbinas, representando
uma geração de 968 MW.
A Dinamarca, em 1997 conseguiu um recorde anual com a instalação de 533
novas turbinas no seu território gerando 300 MW. Isto contribui para um total de 4850
turbinas de vento, que equivale a 7% de toda a energia consumida pela Dinamarca. A
indústria espera que a produção total de energia gerada pelo vento alcance 2500 MW
por ano em 2005, dentre as quais 750 serão de instalações continentais.
França
O principal impasse da expansão na utilização de energia eólica na França tem
sido o poder público que não deseja dividir o mercado com empresas privadas e pagar
uma tarifa para a geração de energia elétrica.
A Életricité de France (EDF), controla toda demanda para o mercado. Depois de
uma iminente falta de energia durante a década de 80, a França re-inaugurou um
21
pequeno projeto de implantar a utilização de energia eólica durante o começo dos anos
90. A mudança chegou a tempo, justamente quando a França enfrentava a constante
pressão da Comunidade Européia para abrir o seu mercado de eletricidade para
competição e o surgimento de novas questões relativas à dependência da energia
nuclear.
O programa desenvolvido pela Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de
l'Énergie (ADEME), estava concentrada no uso de pequenas turbinas geradas à diesel
que se localizavam no além mar da costa francesa, em áreas remotas no continente
Francês, e duas usinas eólicas interligadas com as linhas de EDF.
Apenas 2,5 MW foram instalados até 1994, a maioria na primeira usina eólica
francesa. Localizada em Port-la-Nouvelle no Sul da França a pequena usina de apenas 5
turbinas rende 5,1 milhões de kWh de produção anual. Seguindo a instalação de uma
turbina na costa de Dunkerque no começo de 1990, um segundo projeto seria
completado em 1995 perto da fronteira com a Bélgica.
Como o projeto atual da França se baseia na utilização de energia atômica e
como muitos dos núcleos geradores de energia atômica estão perto do seu tempo de
vida útil a EDF terá que mudar o seu projeto de energia ou senão terá que investir em
um novo projeto de elevado custo na construção de usinas nucleares.
Estados Unidos
A energia eólica é muito difundida nos EUA, como exemplo tem-se Dakota do
Norte, que sozinha, possui a capacidade de produzir energia que conseguiria suprir 36%
da eletricidade de 48 estados.
Alguns projetos que estão em andamento nos EUA atingiram uma meta que é
muito importante para o desenvolvimento futuro da utilização da energia eólica,
conseguiu diminuir drasticamente o custo do kWh, que variam de 3,9 centavos (em
algumas usinas nos Texas) a 5 centavos ou mais (no Pacífico Noroeste). Estes custos
são similares de muitas formas convencionais de geração de energia, e se espera que tais
custos diminuam ainda mais em um intervalo de 10 anos.
Atualmente a energia eólica é responsável por apenas 1% de toda energia
produzida no país. O Departamento de Energia espera um aumento de 600% na
utilização de energia eólica nos próximos 15 anos. Espera-se que no meio deste século o
vento possa ser responsável por 10% de toda energia norte-americana, o mesmo que a
parcela produzida pela energia hidrelétrica.
Brasil
No Brasil, embora o aproveitamento dos recursos eólicos tenha sido feito
tradicionalmente com a utilização de cata-ventos multipás para bombeamento d'água,
algumas medidas precisas de vento, realizadas recentemente em diversos pontos do
território nacional, indicam a existência de um imenso potencial eólico ainda não
explorado.
Grande atenção tem sido dirigida para o Estado do Ceará por este ter sido um
dos primeiros locais a realizar um programa de levantamento do potencial eólico através
de medidas de vento com modernos anemógrafos computadorizados. Entretanto, não foi
apenas na costa do Nordeste que áreas de grande potencial eólico foram identificadas.
Em Minas Gerais, por exemplo, uma central eólica está em funcionamento, desde 1994,
em um local (afastado mais de 1000 km da costa) com excelentes condições de vento.
A capacidade instalada no Brasil é de 20,3 MW, com turbinas eólicas de médio e
grande portes conectadas à rede elétrica. Além disso, existem dezenas de turbinas
eólicas de pequeno porte funcionando em locais isolados da rede convencional para
22
aplicações diversas como: bombeamento, carregamento de baterias, telecomunicações e
eletrificação rural.
2.13.1 – Custo da Energia Eólica Brasileira
Considerando o grande potencial eólico existente no Brasil, confirmado através
de medidas de vento precisas realizadas recentemente, é possível produzir eletricidade a
custos competitivos com centrais termoelétricas, nucleares e hidroelétricas. Análises dos
recursos eólicos medidos em vários locais do Brasil mostram a possibilidade de geração
elétrica com custos da ordem de US$ 70 - US$ 80 por MWh.
De acordo com estudos da ELETROBRÁS, o custo da energia elétrica gerada
através de novas usinas hidroelétricas construídas na região amazônica será bem mais
alto que os custos das usinas implantadas até hoje. Quase 70% dos projetos possíveis
deverão ter custos de geração maiores do que a energia gerada por turbinas eólicas.
Outra vantagem das centrais eólicas em relação às usinas hidroelétricas é que quase toda
a área ocupada pela central eólica pode ser utilizada (para agricultura, pecuária, etc.) ou
preservada como habitat natural.
A energia eólica poderá também contribuir para resolver o grande dilema do uso
da água do Rio São Francisco no Nordeste (água para gerar eletricidade versus água
para irrigação). Grandes projetos de irrigação às margens do rio e/ou envolvendo a
transposição das águas do rio para outras áreas podem causar um grande impacto no
volume de água dos reservatórios das usinas hidrelétricas e, conseqüentemente,
prejudicar o fornecimento de energia para a região.
Entretanto, observando o gráfico abaixo, percebe-se que as maiores velocidades
de vento no nordeste do Brasil ocorrem justamente quando o fluxo de água do Rio São
Francisco é mínimo. Logo, as centrais eólicas instaladas no nordeste poderão produzir
grandes quantidades de energia elétrica evitando que se tenha que utilizar a água do rio
São Francisco.
Comparação entre o fluxo de água do Rio São Francisco e o regime de vento
no nordeste do Brasil
23
2.13.2 – Potencial Eólico do Brasil
A avaliação precisa do potencial de vento em uma região é o primeiro e
fundamental passo para o aproveitamento do recurso eólico como fonte de energia. Para
a avaliação do potencial eólico de uma região faz-se necessária a coleta de dados de
vento com precisão e qualidade. Em geral, os dados de vento coletados para outros usos
(aeroportos, estações meteorológicas, agricultura) são pouco representativos da energia
contida no vento e não podem ser utilizados para a determinação da energia gerada por
uma turbina eólica - que é o objetivo principal do mapeamento eólico de uma região.
No Brasil, assim como em várias partes do mundo, quase não existem dados de
vento com qualidade para uma avaliação do potencial eólico. Os primeiros anemógrafos
computadorizados e sensores especiais para energia eólica foram instalados no Ceará e
em Fernando de Noronha/Pernambuco apenas no início dos anos 90. Os bons resultados
obtidos com aquelas medições favoreceram a determinação precisa do potencial eólico
daqueles locais e a instalação de turbinas eólicas.
Vários estados brasileiros seguiram os passos de Ceará e Pernambuco e
iniciaram programas de levantamento de dados de vento. Hoje existem mais de cem
anemógrafos computadorizados espalhados por vários estados brasileiros.
A análise dos dados de vento de vários locais no Nordeste confirmaram as
características dos ventos comerciais (trade-winds) existentes na região: velocidades
médias de vento altas, pouca variação nas direções do vento e pouca turbulência durante
todo o ano. Além disso, foram observados fatores de forma de Weibull (da distribuição
estatística de Weibull), k, maiores que 3 - valores considerados muito altos quando
comparados com os ventos registrados na Europa e Estados Unidos.
Dada a importância da caracterização dos recursos eólicos da região Nordeste, o
Centro Brasileiro de Energia Eólica - CBEE, com o apoio da Agência Nacional de
Energia Elétrica - ANEEL e do Ministério de Ciência e Tecnologia - MCT lançou, em
1998, a primeira versão do Atlas Eólico do Nordeste do Brasil (WANEB - Wind Atlas
for the Northeast of Brazil) com o objetivo principal de desenvolver modelos
atmosféricos, analisar dados de ventos e elaborar mapas eólicos confiáveis para a
região. Um mapa de ventos preliminar do Brasil gerado a partir de simulações
computacionais com modelos atmosféricos é mostrado na figura abaixo.
Mapa de ventos do Brasil. Resultados preliminares do CBEE.
Em 1999, a companhia paranaense de energia, COPEL, publicou o mapa do
potencial eólico do estado do Paraná. Foram utilizados dados de vento de cerca de vinte
estações anemométricas para simulações em modelo atmosférico de microescala com
apresentação gráfica em ferramenta GIS.
Também em 1999, o CBEE passou a utilizar o modelo atmosférico de
mesoescala MM5 para elaborar a segunda versão do Atlas Eólico do Nordeste
(WANEB 2) e realizar o Atlas Eólico Nacional. Este novo projeto envolve a coleta e
processamento de dados de vento de boa qualidade medidos em estações terrenas e na
atmosfera (sondas, satélites), a simulação da climatologia com o modelo MM5 em
resoluções de 30 km e a elaboração do atlas eólico a partir da combinação dos mapas de
vento (obtidos da simulação) com informações de topografia, uso do solo, influências
locais e outras restrições (ferramenta GIS). Um modelo atmosférico de microescala será
usado em áreas de interesse para aumentar a resolução do Atlas para espaçamentos de
1km2. Baseado no WANEB 2 (ainda não publicado) o CBEE estima que o potencial
eólico existente no Nordeste é de 6.000MW.
24
3. CONCLUSÕES
A implantação do uso de energia eólica depende unicamente do crescimento
tecnológico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos relativos à
manutenção, diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das turbinas eólicas.
O rendimento, a manutenção e o efeito sonoro de uma turbina são dependentes
do avanço tecnológico de outros setores da indústria. Como no caso da fabricação de
materiais mais leves, baratos e resistentes e na produção de máquinas com maiores taxas
de rendimento e aproveitamento de energia.
Os custos relativos à implantação de fontes de energia eólica estão em um
declínio gradativo, visto que um em curto espaço de tempo podem ser implantadas em
todas populações de pequeno porte, suprindo as necessidades de condomínios e
pequenos lugarejos onde a demanda de energia não seja muito acessível.
O aproveitamento da energia eólica será de vital importância em um futuro
próximo pois, suprirá as necessidades de populações de pequeno porte, deixando a
demanda maior de energia recair sobre as fontes convencionais de energia, já que, uma
indústria necessita de uma demanda muito maior de energia que uma população,
entretanto espera-se que com o avanço da tecnologia a implantação de fontes de energia
alternativas será suficiente para todas a demanda de energia do planeta.
4. BIBLIOGRAFIA
Os textos foram retirados da internet dos seguintes sites:
1. www.elogica.com.br/users/ladislau/eolica.htm
2. www.fem.com.br/~em313/paginas/eolica/eolica.htm
3. www.aondevamos.eng.br/textos/texto01.htm
4. www.eolica.com.br/energia.html
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