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UNIVERSIDADE ESTADUAL VALE DO ACARAÚ

CCET – Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas

Curso Engenharia Civil e Ambiental

Disciplina: Fontes de Energia

Professor: Grijalba José Mendes Carneiro Filho

Francisco Marcellus Rodrigues Frota Prado

ENERGIA EÓLICA

SOBRAL – 2010

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Francisco Marcellus Rodrigues Frota Prado

ENERGIA EÓLICA

SOBRAL – 2010

Trabalho apresentado ao professor Grijalba Mendes Carneiro como requisito parcial para a obtenção de aprovação na disciplina de Fontes de Energia do Curso de Engenharia Civil da Universidade Estadual Vale do Acaraú.

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO.................................................................................................03

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA............................................................................04

2.1 BREVE HISTÓRICO........................................................................................04

2.2 TIPOS DE ROTORES.....................................................................................05

2.2.1 Turbinas Eólicas de Eixo Vertical (TEEV’s).....................................................05

2.2.2 Turbinas Eólicas de Eixo Horizontal

(TEEH’s).................................................06

2.3 MECANISMOS DE CONTROLE.....................................................................09

2.3.1 Controle de Passo...........................................................................................10

2.3.2 Controle Estol..................................................................................................11

2.4 VANTAGENS E DESVANTAGENS.................................................................13

3 CONCLUSÃO..................................................................................................14

4 BIBLIOGRAFIA................................................................................................1 –

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INTRODUÇÃO

Denomina-se energia eólica a energia cinética contida nas massas de

ar em movimento (vento). Seu aproveitamento ocorre por meio da conversão da

energia cinética de translação em energia cinética de rotação, com o emprego de

turbinas eólicas, também denominadas aerogeradores, para a geração de

eletricidade, ou cataventos (e moinhos), para trabalhos mecânicos como

bombeamento d’água.

Assim como a energia hidráulica, a energia eólica é utilizada há

milhares de anos com as mesmas finalidades, a saber: bombeamento de água,

moagem de grãos e outras aplicações que envolvem energia mecânica. Para a

geração de eletricidade, as primeiras tentativas surgiram no final do século XIX, mas

somente um século depois, com a crise internacional do petróleo (década de 1970),

é que houve interesse e investimentos suficientes para viabilizar o desenvolvimento

e aplicação de equipamentos em escala comercial.

A primeira turbina eólica comercial ligada à rede elétrica pública foi

instalada em 1976, na Dinamarca. Atualmente, existem mais de 30 mil turbinas

eólicas em operação no mundo. Em 1991, a Associação Européia de Energia Eólica

estabeleceu como metas a instalação de 4.000 MW de energia eólica na Europa até

o ano 2000 e 11.500 MW até o ano 2005. Essas e outras metas estão sendo

cumpridas muito antes do esperado (4.000 MW em 1996, 11.500 MW em 2001). As

metas atuais são de 40.000 MW na Europa até 2010. Nos Estados Unidos, o parque

eólico existente é da ordem de 4.600 MW instalados e com um crescimento anual

em torno de 10%. Estima-se que em 2020 o mundo terá 12% da energia gerada pelo

vento, com uma capacidade instalada de mais de 1.200GW (WINDPOWER; EWEA;

GREENPEACE, 2003; WIND FORCE, 2003).

Recentes desenvolvimentos tecnológicos (sistemas avançados de

transmissão, melhor aerodinâmica, estratégias de controle e operação das turbinas

etc.) têm reduzido custos e melhorado o desempenho e a confiabilidade dos

equipamentos. O custo dos equipamentos, que era um dos principais entraves ao

aproveitamento comercial da energia eólica, reduziu-se significativamente nas

últimas duas décadas. Projetos eólicos em 2002, utilizando modernas turbinas

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eólicas em condições favoráveis, apresentaram custos na ordem de 820/kW

instalado e produção de energia a 4 cents/kWh (EWEA; GREENPEACE, 2003).

2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 – BREVE HISTÓRICO

Já há quatro milênios as pessoas usavam a energia eólica na forma de

barcos à vela no Egito. As velas capturavam a energia no vento para empurrar um

barco ao longo da água. Os primeiros moinhos de vento, usados para moer grãos,

surgiram entre 2 mil a.C., na antiga Babilônia, e 200 a.C. na antiga Pérsia,

dependendo de para quem se pergunta. Estes primeiros dispositivos consistiam em

uma ou mais vigas de madeira montadas verticalmente, e em cuja base havia uma

pedra de rebolo fixada ao eixo rotativo que girava com o vento. O conceito de se

usar a energia do vento para moer grãos se espalhou rapidamente ao longo do

Oriente Médio e foi largamente utilizado antes que o primeiro moinho de vento

aparecesse na Europa. No início do século XI d.C., os cruzados europeus levaram o

conceito para casa e surgiu o moinho de vento do tipo holandês com o qual estamos

familiarizados.

O desenvolvimento da tecnologia da energia eólica moderna e suas

aplicações estavam bem encaminhados por volta de 1930, quando estimados 600

mil moinhos de vento abasteciam áreas rurais com eletricidade e serviços de

bombeamento de água. Assim que a distribuição de eletricidade em larga escala se

espalhou para as fazendas e cidades do interior, o uso de energia eólica nos

Estados Unidos começou a decrescer, mas reviveu depois da escassez de petróleo

no início dos anos 70. Nos últimos 30 anos, a pesquisa e o desenvolvimento

variaram com o interesse e incentivos fiscais do governo federal. Em meados dos

anos 80, as turbinas eólicas tinham uma capacidade nominal máxima de 150 kW.

Em 2006, as turbinas em escala de geração pública comercial têm potência nominal

comumente acima de 1 MW e estão disponíveis em capacidades de até 4 MW.

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2.2 – TIPOS DE ROTORES

2.2.1 – Turbinas Eólicas de Eixo Vertical (TEEV’s)

Quando se trata de turbinas eólicas modernas, há dois projetos

principais: as de eixo horizontal e as de eixo vertical. Turbinas eólicas de eixo

vertical (TEEVs) são bastante raras. A única em produção comercial atualmente é a

turbina Darrieus, que se parece um pouco com uma batedeira de ovos.

Em

uma TEEV,

o eixo é

montado na

vertical,

perpendicular ao solo. Como as TEEVs estão permanentemente alinhadas com o

vento (ao contrário das de eixo horizontal), nenhum ajuste é necessário quando a

direção do vento muda. Entretanto, uma TEEV não pode começar a se mover por si

mesma: ela precisa de um impulso de seu sistema elétrico para dar partida. Em vez

de uma torre, ela geralmente usa cabos de amarração para sustentação, pois assim

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a elevação do rotor é menor. Como menor elevação significa menor velocidade do

vento devido à interferência do solo, as TEEVs geralmente são menos eficientes que

as TEEHs. Como vantagem, todos os equipamentos se encontram ao nível do solo

para facilidade de instalação e serviços. Mas isso significa uma área de base maior

para a turbina, o que é uma grande desvantagem em áreas de cultivo.

As TEEVs podem ser usadas para turbinas de pequena escala e para o

bombeamento de água em áreas rurais, mas todas as turbinas de escala de geração

pública produzidas comercialmente são turbinas eólicas de eixo horizontal (TEEHs).

2.2.2 – Turbinas Eólicas de Eixo Horizontal (TEEH’s)

Como o nome indica, o eixo da TEEH é montado horizontalmente,

paralelo ao solo. As TEEHs

precisam se alinhar

constantemente com o vento,

usando um mecanismo de ajuste.

O sistema de ajuste padrão

consiste de motores elétricos e

caixas de engrenagens que

movem todo o rotor para a

esquerda ou direita em pequenos

incrementos. O controlador

eletrônico da turbina lê a posição

de um dispositivo cata-vento

(mecânico ou eletrônico) e ajusta a

posição do rotor para capturar o

máximo de energia eólica

disponível. As TEEHs usam uma

torre para elevar os componentes

da turbina a uma altura ideal para

a velocidade do vento (e para que as pás possam ficar longe do solo) e ocupam

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muito pouco espaço no solo, já que todos os componentes estão a até 80 metros de

altura.

Componentes de uma grande TEEH:

- Pás do rotor: capturam a energia do vento e a convertem em energia

rotacional no eixo;

- Eixo: transfere a energia rotacional para o gerador;

- Nacele: é a carcaça que abriga;

- Caixa de engrenagens: aumenta a velocidade do eixo entre o cubo do

rotor e o gerador;

- Gerador: usa a energia rotacional do eixo para gerar eletricidade

usando eletromagnetismo;

- Unidade de controle eletrônico: monitora o sistema, desliga a turbina

em caso de mau funcionamento e controla o mecanismo de ajuste para alinhamento

da turbina com o vento;

- Controlador: move o rotor para alinhá-lo com a direção do vento;

- Freios: detêm a rotação do eixo em caso de sobrecarga de energia ou

falha no sistema.

- Torre: sustenta o rotor e a nacele, além de erguer todo o conjunto a

uma altura onde as pás possam girar com segurança e distantes do solo;

- Equipamentos elétricos: transmitem a eletricidade do gerador através

da torre e controlam os diversos elementos de segurança da turbina.

Ao contrário do antigo projeto

de moinho de vento holandês, que

dependia muito da força do vento para

colocar as pás em movimento, as turbinas

modernas usam princípios aerodinâmicos

mais sofisticados para capturar a energia

do vento com mais eficácia. As duas forças

aerodinâmicas principais que atuam sobre

os rotores da turbina eólica são o empuxo,

que atua perpendicularmente ao fluxo do

vento, e o arrasto, que atua paralelamente

ao fluxo do vento.

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As pás da turbina têm uma forma parecida com asas de avião: elas

usam um desenho de aerofólio. Em um aerofólio, uma das superfícies da pá é um

pouco arredondada, enquanto a outra é relativamente plana. O empuxo é um

fenômeno bastante complexo e pode de fato exigir pósgraduação em matemática ou

física para ser completamente entendido. Mas, simplificando, quando o vento se

desloca sobre uma face arredondada e a favor da pá, ele precisa se mover mais

rápido para atingir a outra extremidade da pá a tempo de encontrar o vento que se

desloca ao longo da face plana e contra a pá (voltada na direção de onde sopra o

vento). Como o ar que se move mais rápido tende a se elevar na atmosfera, a

superfície curvada e contra o vento gera um bolsão de baixa pressão acima dela. A

área de baixa pressão puxa a pá na direção a favor do vento, um efeito conhecido

como "empuxo". Na direção contra o vento da pá, o vento se move mais devagar e

cria uma área de pressão mais elevada que empurra a pá, tentando diminuir sua

velocidade. Como no desenho de uma asa de avião, uma alta relação de

empuxo/arrasto é essencial no projeto de uma pá de turbina eficiente. As pás da

turbina são torcidas, de modo que elas possam sempre apresentar um ângulo que

tire vantagem da relação ideal da força de empuxo/arrasto.

A aerodinâmica não é a única consideração de projeto em jogo na

criação de uma turbina eólica eficaz. O tamanho importa: quanto maiores as pás da

turbina (e, portanto, quanto maior o diâmetro do rotor), mais energia uma turbina

pode capturar do vento e maior a capacidade de geração de energia elétrica.

Falando de modo geral, dobrar o diâmetro do rotor quadruplica a produção de

energia. Em alguns casos, entretanto, em uma área de menor velocidade do vento,

um rotor de menor diâmetro pode acabar produzindo mais energia do que um rotor

maior. Isso ocorre porque uma estrutura menor consome menos energia do vento

para girar o gerador menor, de modo que a turbina pode operar a plena capacidade

quase o tempo todo. A altura da torre também é um fator importante na capacidade

de produção. Quanto mais alta a turbina, mais energia ela pode capturar, visto que a

velocidade do vento aumenta com a altura (o atrito com o solo e os objetos ao nível

do solo interrompem o fluxo do vento). Os cientistas estimam um aumento de 12%

na velocidade do vento cada vez que se dobra a elevação.

Provavelmente, o sistema de segurança mais comumente ativado em

uma turbina é o sistema de "frenagem", que é ativado por velocidades do vento

acima do limite. Esse arranjo usa um sistema de controle de potência que,

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essencialmente, aciona os freios quando a velocidade do vento se eleva em

demasia e depois "libera os freios" quando o vento diminui abaixo de 72 km/h. Os

modernos projetos de grandes turbinas usam diversos tipos diferentes de sistemas

de frenagem.

2.3 – MECANISMOS DE CONTROLE

Os mecanismos de controle destinam-se à orientação do rotor, ao

controle de velocidade, ao controle de carga, etc. Pela variedade de controles, existe

uma enorme variedade de mecanismos que podem ser mecânicos (velocidade,

passo, freio), aerodinâmicos (posicionamento do rotor) ou eletrônicos (controle da

carga).

Os modernos aerogeradores utilizam dois diferentes princípios de

controle aerodinâmico para limitar a extração de potência à potência nominal do

aerogerador. São chamados de controle estol (stall) e controle de passo (Pitch). No

passado, a maioria dos aerogeradores usava o controle estol simples; atualmente,

entretanto, com o aumento do tamanho das máquinas, os fabricantes estão optando

pelo sistema de controle de passo que oferece maior flexibilidade na operação das

turbinas eólicas.

O controle estol é um sistema passivo que reage à velocidade do

vento. As pás do rotor são fixas em seu ângulo de passo e não podem girar em

torno de seu eixo longitudinal. O ângulo de passo é escolhido de forma que, para

velocidades de vento superiores a velocidade nominal, o escoamento em torno do

perfil da pá do rotor descola da superfície da pá (estol), reduzindo as forças de

sustentação e aumentando as forças de arrasto. Sob todas as condições de ventos,

superiores à velocidade nominal, o escoamento em torno dos perfis das pás do rotor

é, pelo menos parcialmente, descolado da superfície produzindo menores forças de

sustentação e elevadas forças de arrasto. Menores sustentações e maiores arrastos

atuam contra um aumento da potência do rotor. Para evitar que o efeito estol ocorra

em todas as posições radiais das pás ao mesmo tempo, o que reduziria

significativamente a potência do rotor, as pás possuem uma pequena torção

longitudinal que as levam a um suave desenvolvimento deste efeito.

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O controle de passo, por sua vez, é um sistema ativo que normalmente

necessita de uma informação vinda do controlador do sistema. Sempre que a

potência nominal do gerador é ultrapassada, devido a um aumento da velocidade do

vento, as pás do rotor giram em torno do seu eixo longitudinal; em outras palavras,

as pás mudam o seu ângulo de passo para reduzir o ângulo de ataque. Esta

redução do ângulo de ataque diminui as forças aerodinâmicas atuantes e,

consequentemente, a extração de potência. Para todas as velocidades do vento

superiores à velocidade nominal, o ângulo é escolhido de forma que a turbina

produza apenas a potência nominal. Sob todas as condições de vento, o

escoamento em torno dos perfis das pás do rotor é bastante aderente à superfície

produzindo sustentação aerodinâmica e pequenas forças de arrasto.

2.3.1 – Controle de Passo

O controle de passo é um sistema de controle ativo, que normalmente

necessita de um sinal do gerador de potência. Sempre quando a potência nominal

do gerador for ultrapassada, devido ao aumento das velocidades do vento, as pás

do rotor serão giradas em torno de seu eixo longitudinal, ou em outras palavras,

mudam seu ângulo de passo para reduzir o ângulo de ataque do fluxo de ar. Esta

redução do ângulo de ataque diminui as forças aerodinâmicas atuantes e,

consequentemente, a extração de potência do vento pela turbina. Para todas as

velocidades de vento superiores à velocidade nominal, que é a mínima que se

necessita para gerar a potência

nominal, o ângulo é escolhido de tal

maneira que a turbina produza

apenas a potência nominal.

Sob todas as condições de vento, o fluxo em torno dos perfis da pá do

rotor é bem aderente à superfície, produzindo, portanto, sustentação aerodinâmica a

pequenas forças de arrasto. Turbinas com controle de passo são mais sofisticadas

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do que as de passo fixo, controladas por estol porque estas necessitam de um

sistema de variação de passo. Por outro lado, elas possuem certas vantagens:

- permitem controle de potência ativo sob todas as condições de vento,

também sob potências parciais

- alcançam a potência nominal mesmo sob condições de baixa massa

específica do ar (grandes altitudes dos sítios, altas temperaturas)

- maior produção de energia sob as mesmas condições (sem

diminuição da eficiência na adaptação ao estol da pá)

- partida simples do rotor pela mudança do passo

- fortes freios desnecessários para paradas de emergência do rotor

- cargas das pás do rotor decrescentes com ventos aumentando acima

da potência nominal

- posição de embandeiramento das pás do rotor para cargas pequenas

em ventos extremos

- massas das pás do rotor menores levam a massas menores dos

aerogeradores

Na Alemanha cerca de 50% de todos os aerogeradores instalados são

do tipo controle de passo porque dois dos maiores fabricantes preferem este tipo de

controle de aerogeradores. Na nova geração de turbinas da classe de megawatt,

mais e mais fabricantes mudaram para sistemas de controle de passo.

2.3.2 – Controle Estol

O controle de estol é um sistema passivo que reage à velocidade do

vento. As pás do rotor são fixas em seu ângulo de passo e não podem ser giradas

em torno de seu eixo longitudinal. O seu ângulo de passo é escolhido de tal maneira

que para velocidades de ventos maiores que a nominal o fluxo em torno do perfil pá

do rotor descola da superfície da pá (estol). Isto reduz as forças atuantes de

sustentação e aumentam a de arrasto. Menores sustentações e maiores arrastos

rotacionais atuam contra um aumento da potência do rotor. Para evitar que o estol

ocorra em todas as posições radiais das pás ao mesmo tempo, uma situação que

drasticamente reduziria a potência do rotor, as pás possuem certa torção longitudinal

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que a leva a um suave

desenvolvimento do estol.

Sob todas as condições

de ventos superiores à velocidade

nominal o fluxo em torno dos perfis

das pás do rotor é, pelo menos, parcialmente descolado da superfície (Figura 2),

produzindo, portanto sustentações menores e forças de arrasto muito mais

elevadas. Turbinas com controle estol são mais simples do que as de controle de

passo porque elas não necessitam de um sistema de mudança de passo. Em

comparação com os aerogeradores com controle de passo, eles possuem, em

princípio, as seguintes vantagens:

- inexistência de sistema de controle de passo

- estrutura de cubo do rotor simples

- menor manutenção devido a um número menor de peças móveis

- auto-confiabilidade do controle de potência

Em termos mundiais, o conceito de controle através de estol domina. A

maioria dos fabricantes utiliza esta possibilidade simples de controle de potência,

que sempre necessita uma velocidade constante do rotor, geralmente dada pelo

gerador de indução diretamente acoplado à rede.

Apenas nos dois últimos anos uma mistura de controle por estol e de

passo apareceu, o conhecido “estol ativo”. Neste caso, o passo da pá do rotor é

girado na direção do estol e não na direção da posição de embandeiramento (menor

sustentação) como é feito em sistema de passos normais. As vantagens deste

sistema são:

- são necessárias pequeníssimas mudanças no ângulo do passo Vpart.

Vnominal Velocidade do vento

- possibilidade de controle da potência sob condições de potência

parcial (ventos baixos)

- a posição de embandeiramento das pás do rotor para cargas

pequenas em situação de ventos extremos.

2.4 – VANTAGENS E DESVANTAGENS

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As principais vantagens da Energia Eólica são as seguintes:

Vantagens para a sociedade em geral:

- É inesgotável;

- Não emite gases poluentes nem geram resíduos;

- Diminui a emissão de gases de efeito de estufa (GEE).

Vantagens para as comunidades onde se inserem os Parques Eólicos

-Os parques eólicos são compatíveis com outros usos e utilizações do terreno como

a agricultura e a criação de gado;

-Criação de emprego;

-Geração de investimento em zonas desfavorecidas;

-Benefícios financeiros (proprietários e zonas camarárias).

Vantagens para o estado

-Reduz a elevada dependência energética do exterior, nomeadamente a

dependência em combustíveis fósseis;

-Poupança devido à menor aquisição de direitos de emissão de CO² por cumprir o

protocolo de Quioto e diretivas comunitárias e menores penalizações por não

cumprir;

-Possível contribuição de cota de GEE para outros sectores da atividade econômica;

-É uma das fontes mais baratas de energia podendo competir em termos de

rentabilidade com as fontes de energia tradicionais.

Vantagens para os promotores

-Os aerogeradores não necessitam de abastecimento de combustível e requerem

escassa manutenção, uma vez que só se procede à sua revisão em cada seis

meses.

-Excelente rentabilidade do investimento. Em menos de seis meses, o aerogerador

recupera a energia gasta com o seu fabrico, instalação e manutenção.

Principais Desvantagens da energia eólica:

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- A intermitência, ou seja, nem sempre o vento sopra quando a eletricidade é

necessária, tornando difícil a integração da sua produção no programa de

exploração;

- Pode ser ultrapassado com as pilhas de combustível (H²) ou com a técnica da

bombagem hidroelétrica.

- Provoca um impacto visual considerável, principalmente para os moradores em

redor, a instalação dos parques eólicos gera uma grande modificação da paisagem;

- Impacto sobre as aves do local: principalmente pelo choque destas nas pás, efeitos

desconhecidos sobre a modificação de seus comportamentos habituais de migração;

- Impacto sonoro: o som do vento bate nas pás produzindo um ruído constante

(43dB(A)). As habitações mais próximas deverão estar no mínimo a 200m de

distância.

3 – CONCLUSÃO

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 pode ser implantado

em todas as 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, pois como se sabe uma indústria necessita de uma demanda muito maior

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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

as demanda de energia do planeta.

4 – BIBLIOGRAFIA

ATLAS da Energia Eólica. Disponível em

<http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/06-Energia_Eolica(3).pdf> Acesso em

03 de abr 2010.

ENERGIAS vivas. Disponível em

<http://www.abcdaenergia.com/enervivas/cap10.htm> Acesso em 04 de abr 2010.

TUTORIAL: Eólica. Disponível em

<http://www.cresesb.cepel.br/tutorial/tutorial_eolica.htm> Acesso em 04 de abr 2010.

VANTAGENS e Desvantagens da Energia Eólica. Disponível em

<http://www.portal-energia.com/vantagens-desvantagens-da-energia-eolica/>

Acesso em 03 de abr 2010.