ENERGIA EÓLICA

NomeProf. -

Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVIEngenharia Mecânica (EME - )

02/10/09

RESUMO

A utilização de fontes renováveis de energia tem estado em pautas em todos os níveis da sociedade, e a cada dia elas estão sendo inventadas e aprimoradas para a utilização de fontes “limpas” de energia. Os incentivos de governos e instituições internacionais têm feito com que haja uma “corrida às tecnologias limpas”, para garantir não só a estabilidade de muitas economias quando do fim do petróleo, mas também para tentar reverter ou mesmo parar as complicações climáticas com crescentes desastres naturais em todo o globo. Isto faz com que nós, futuros profissionais de engenharia sejamos a “energia” necessária para desenvolver estas tecnologias e devemos a cada dia estar habituados a entendê-las para melhor contribuir com o seu desenvolvimento. Dentre estas energias, a Energia Eólica tem se destacado pela sua alta capacidade de produção de energia elétrica com um custo/benefício bom não só economicamente, mas também quanto aos impactos ambientais com a sua instalação que é simples. Desta forma, veremos neste trabalho os prós e contras da utilização da energia eólica, assim como os diversos equipamentos utilizados para transformar a energia do vento em energia mecânica e esta em energia elétrica.

Palavras-chave: Energias Renováveis, Energia Eólica, Vento.

1 INTRODUÇÃO

Para entendermos a utilização da energia eólica, temos que antes conhecer os motivos que a

tornam uma “Energia Limpa” a após isso descobrir se a mesma é viável economicamente ou não,

pois mesmo que seja viável ecologicamente o fator custo pode pesar e muito quando da sua

concepção, se o seu rendimento não satisfizer os custos. Com a utilização da internet, vemos que a

energia eólica pode ser usada para uma série de aplicações, seja para inserção da energia fornecida

na rede elétrica, seja para ser armazenada em baterias ou menos para a utilização “in natura” em

moinhos de vento, a energia eólica é dimensionada conforme a aplicação e a disponibilidade de

vento. Estes fatores serão estudados com ênfase para termos uma base solida da sua concepção e

funcionamento.

2 A HISTÓRIA DA ENERGIA EÓLICA

Já há aproximadamente quatro milênios os Egípcios usavam a energia eólica em barcos à

vela no Nilo. As velas capturam a energia no vento para empurrar o barco na água. Os primeiros

moinhos de vento para moer grãos, surgiram entre 2000 a.C e 200 a.C., na antiga Babilônia, na

Pérsia. De acordo com o site http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, “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”. Este método de se usar

o vento para moer grãos espalhou-se rapidamente no Oriente Médio e foi largamente utilizado antes

de aparecer na Europa, quando no século XI d.C., os cruzados levaram o conceito para a Europa,

onde surgiu o moinho de vento do tipo holandês, com quais estamos familiarizados. Nos Estados

Unidos, o desenvolvimento da energia eólica e suas aplicações estavam encaminhados já na década

de 1930, quando aproximadamente 600 mil moinhos de vento abasteciam com eletricidade áreas

rurais e serviços de bombeamento de água. Assim que a rede de distribuição de eletricidade se

espalhou para o interior, o uso de energia eólica começou a decrescer, somente reaparecendo depois

da escassez de petróleo nos anos 70. Após isto, seu desenvolvimento variou com o interesse e

incentivos fiscais dos governos. Se em meados dos anos 80, as turbinas eólicas possuíam uma

capacidade nominal máxima de 150 kW, hoje elas estão disponíveis em capacidades maiores de até

4 MW.

3 PRINCÍPIOS BÁSICOS

Como na geração de energia elétrica através de usinas hidrelétricas, também a geração de

energia através do vento se baseia no aproveitamento da energia cinética. Nas usinas, a energia

cinética que a água possui quando armazenada move as turbinas quando escoa por uma saída muito

abaixo do nível do reservatório. Na energia eólica também é assim, apenas é a energia cinética do

vento se movimentando através das pás que faz as mesmas girarem devido ao arrasto que o perfil

das hélices cria. Tanto as turbinas como hélices giram um rotor acoplado a um gerador que por sua

vez produz a energia elétrica.

A geração de energia mais simples possível tem três partes fundamentais, de acordo com o

site http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm:

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1 - Pás do rotor: as pás são, basicamente, as velas do sistema. Em sua forma mais simples, atuam como barreiras para o vento. Quando o vento força as pás a se mover, transfere parte de sua energia para o rotor;

2 - Eixo: o eixo da turbina eólica é conectado ao cubo do rotor. Quando o rotor gira, o eixo gira junto. Desse modo, o rotor transfere sua energia mecânica rotacional para o eixo, que está conectado a um gerador elétrico na outra extremidade;

3 - Gerador: um gerador simples consiste em ímãs e um condutor. O condutor é um fio enrolado na forma de bobina. Dentro do gerador, o eixo se conecta a um conjunto de imãs permanentes que circunda a bobina e quando o eixo gira, estará induzindo tensão no condutor. Quando o rotor gira o eixo, este gira o conjunto de imãs que, por sua vez, gera tensão na bobina que produz tensão elétrica, pois ocorre uma diferença de potencial elétrico devido à indução eletromagnética (disponível em http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, acessado em 10/10/2009).

Pelos poucos componentes acima apresentados o funcionamento de um aerogerador é

facilmente entendido, apesar de envolver varias áreas da engenharia e da física.

4 A GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA MODERNA

Atualmente todas as turbinas de geração pública em escala produzidas comercialmente são

turbinas eólicas de eixo horizontal. Como o nome indica, o eixo destas turbinas é montado

horizontalmente, paralelo ao solo e por isso precisam se alinhar com o vento usando um mecanismo

de ajuste. O sistema de ajuste consiste de motores elétricos com caixas de engrenagens que movem

todo o conjunto em torno de seu eixo em pequenos incrementos. O controlador eletrônico da turbina

lê a direção do vento através de um dispositivo cata-vento e ajusta o rotor para capturar o máximo

de energia disponível. As turbinas eólicas de eixo horizontal usam uma torre para elevar os

componentes da turbina a uma altura ideal para a velocidade do vento e para que as pás não toquem

o solo e por isso ocupam muito pouco espaço no solo, já que todos os componentes estão a até 80

metros ou mais de altura.

Para entender melhor a geração da energia eólica, o infográfico disponível em

http://planetasustentavel.abril.com.br/imagem/energia_eolica, nos ajuda muito.

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FIGURA 01: Infográfico representado a geração der energia eólica. DISPONÍVEL EM: http://planetasustentavel.abril.com.br/imagem/energia_eolica, acessado em 10/10/2009.

Abaixo está uma descrição detalhada de cada um dos componentes de uma turbina eólica de

eixo horizontal, de acordo com o site http://www.ufjf.br/ppee/files/2008/12/211037.pdf.

Nacele: Contém os componentes do aerogerador incluindo entre outros a caixa de engrenagens e o gerador elétrico;

Pás do rotor: Capturam a energia existente no vento e a transfere para o cone do rotor;

Cone do rotor: Liga as pás ao eixo de baixa velocidade da turbina eólica;Eixo de baixa velocidade: Conecta o cone do rotor a caixa de engrenagens. Em

uma turbina moderna o eixo gira entre 9 e 30 RPM. Nesse eixo estão instaladas as tubulações hidráulicas utilizadas para habilitar a operação do freio aerodinâmico;

Caixa de engrenagens: É utilizado para converter a baixa rotação e o alto torque da turbina eólica em alta velocidade e baixo torque que podem ser usados pelo gerador. Em máquinas de 600 a 750 kW, por exemplo, a relação de engrenagens é de aproximadamente 1: 50;

Eixo de alta velocidade: Aciona o gerador elétrico. Ele pode ser equipado com um freio a disco, usado em caso de falha do freio aerodinâmico ou na partida da turbina eólica. No caso da Figura 2 o freio a disco está instalado no eixo de baixa velocidade;

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Gerador elétrico: São geralmente utilizados os geradores de indução ou os geradores síncronos. Em aerogeradores modernos a potência dessas máquinas está entre 500 kW a 2000 kW podendo atingir 4500 kW;

Controle de giro: É conhecido também como mecanismo de orientação e utiliza motores elétricos para girar a nacele juntamente com o rotor contra o vento. Este mecanismo é operado por um controlador eletrônico o qual monitora a direção do vento usando uma veleta. Normalmente o aerogerador vai girar alguns graus quando o vento mudar sua direção;

Sistema de controle: Contém um microprocessador que monitora, continuamente, as condições do aerogerador. Em caso de um mau funcionamento (sobrecarga, excesso de calor na caixa de engrenagens, etc.) ele automaticamente dispara o processo de parada da turbina eólica;

Torre: Sustenta a nacele e o rotor. Geralmente é vantajoso ter uma torre alta por que a velocidade do vento cresce à medida que se afasta do solo. Em aerogeradores modernos as torres podem atingir a altura de 40m a 60m. Em termos construtivos elas podem ser tubulares ou reticuladas, mas sempre são construídas em concreto estrutural como se fosse uma caixa de água.

Sensores de vento: São basicamente o anemômetro e a veleta. O anemômetro mede a velocidade do vento enquanto que a veleta monitora a direção do vento. Os sinais do anemômetro são usados pelo sistema de controle para partir o aerogerador quando a velocidade do vento está em torno de 3,5m/s a 5m/s. Quando esta velocidade é superior a 25m/s o sistema de controle dispara o processo de parada do aerogerador de forma a preservá-lo mecanicamente. Já o sinal da veleta é usado para girar o aerogerador contra o vento usando o mecanismo de orientação (disponível em. http://www.ufjf.br/ppee/files/2008/12/211037.pdf, acessado em 10/10/2009.

Apesar do principio de funcionamento de um aerogerador ser fácil de entender, essa

máquina é um sistema complexo no quais áreas de conhecimento tais como aerodinâmica,

mecânica, elétrica e controle estão intimamente interligados.

FIGURA 02: Desenho esquemático de um aerogerador. DISPONÍVEL EM: http://www.ufjf.br/ppee/files/2008/12/211037.pdf, acessado em 10/10/2009.

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4.1 AS PÁS E A AERODINÂMICA

As pás das modernas turbinas de geração de energia eólica são fabricadas em fibra de

carbono, que são matérias primas que provém da pirólise de materiais carbonáceos que produzem

filamentos de alta resistência mecânica usados para os mais diversos fins. A pirólise é a uma ruptura

da estrutura molecular original de um determinado composto pela ação do calor em um ambiente

com pouco ou nenhum oxigênio que ocorre pela ação de altas temperaturas. A fibra de carbono

possui propriedades que a torna perfeita para a aplicação em pás de geração de energia eólica, pois

não enferruja e tem excepcional resistência ao ambiente altamente agressivo, além da alta inércia

química e resistência às intempéries. Outro fator extremamente importante é que a fibra de carbono

não é condutora de corrente elétrica e por esse motivo não está sujeira a descargas elétricas quando

em operação.

As pás da turbina são parecidas com asas de avião, pois usam um desenho de aerofólio, onde

uma das superfícies da pá é um pouco arredondada, enquanto a outra é relativamente plana. O vento

se desloca sobre a face arredondada e a favor da pá 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, provocando um efeito conhecido como "empuxo. 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. De modo geral, dobrar o diâmetro do rotor quadruplica a produção de

energia. A altura da torre também é um fator importante na capacidade de produção. Quanto mais

alta a turbina, mais energia ela pode capturar, pois a velocidade do vento aumenta com a altura.

Para calcular a real quantidade de potência que uma turbina pode gerar, a velocidade do vento no

local da turbina e a capacidade nominal da turbina são os fatores levados em consideração. A

maioria das turbinas grandes produz sua potência máxima com velocidades do vento ao redor de 15

m/s (54 km/h). Considerando velocidades do vento estáveis, é o diâmetro do rotor que determina  a

quantidade de energia que uma turbina pode gerar.

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Diâmetro do

rotor (metros)

Geração de

potência (kW)

10 25

17 100

27 225

33 300

40 500

44 600

48 750

54 1000

64 1500

72 2000

80 2500

TABELA 01: Tamanho do rotor e geração máxima de potência. DISPONÍVEL EM: http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, acessado em 10/10/2009.

Existem diversos sistemas de segurança que podem desligar a turbina se a velocidade do

vento ameaçar a estrutura, incluindo um simples sensor de vibração usado em algumas turbinas, que

consiste basicamente de uma esfera metálica presa a uma corrente e equilibrada sobre um

minúsculo pedestal. Se a turbina começar a vibrar acima de certo limite, a esfera cai do pedestal e

puxa a corrente, ativando o mecanismo de desligamento.

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, 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.

Controle de passo: o controlador eletrônico da turbina monitora a geração de potência. Com velocidades do vento acima de 72 km/h, a geração de potência será excessiva, a ponto de o controlador ordenar que as pás alterem seu passo de modo que fiquem desalinhadas com o vento. Isto diminui a rotação das pás. Os sistemas de controle de passo requerem que o ângulo de montagem das pás (no rotor) seja ajustável.

Controle passivo de perda de eficiência aerodinâmica: as pás são montadas no rotor em um ângulo fixo, mas são projetadas de modo que a torção das próprias pás aplique a frenagem quando o vento for excessivo. As pás estão dispostas em ângulo, assim os ventos acima de certa velocidade causarão turbulência no lado contrário da pá,

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induzindo à perda da eficiência aerodinâmica. Em termos simples, a perda da eficiência aerodinâmica ocorre quando o ângulo da pá voltado para a chegada do vento se torna tão acentuado que começa a eliminar a força de empuxo, diminuindo a velocidade das pás.

Controle ativo de perda de eficiência aerodinâmica: as pás neste tipo de sistema de controle de potência possuem passo variável, como as pás do sistema de controle de passo. Um sistema ativo de perda de eficiência aerodinâmica lê a geração de potência do mesmo modo que um sistema de passo controlado, mas em vez de mudar o passo das pás para desalinhá-las com o vento, ele as altera para gerar perda de eficiência aerodinâmica (disponível em http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, acessado em 10/10/2009).

Como visto a velocidade da pá não pode ser muito grande para não gerar falhas estruturais

na torre e na própria pá, podendo estas falhas resultar na queda da torre em ultimo caso.

4.3 O FATOR ECONÔMICO

De acordo com o site http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, o custo da energia

eólica em escala pública foi reduzido drasticamente nas últimas duas décadas devido aos avanços

tecnológicos e de projeto na produção e instalação da turbina. No início dos anos 80, a energia

eólica custava cerca de US$ 0,30 por kWh. Em 2006, a energia eólica custava de US$ 0,03 a 0,05

por kWh nas áreas de vento abundante. Quanto maior a regularidade dos ventos em uma

determinada área de turbinas, menor o custo da eletricidade gerada pelas mesmas. Em média, o

custo da energia eólica por kWh é de cerca de US$ 0,04 a 0,10 nos Estados Unidos.

Tipo de recursoCusto médio (centavos

de US$ por kWh)

Hidrelétrica 2-5

Nuclear 3-4

Carvão  4-5

Gás natural  4-5

Vento 4-10

Geotérmica  5-8

Biomassa  8-12

Célula combustível a

hidrogênio10-15

Solar 15-32

TABELA 02: Comparação de custos da energia.

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DISPONÍVEL EM: http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, acessado em 10/10/2009A instalação um sistema de turbina eólica para necessidades próprias é uma maneira de

garantir que a energia é limpa e renovável. Uma configuração de turbina residencial ou empresarial

pode custar algo entre US$ 5 mil a US$ 80 mil. Uma turbina de geração pública de 1,8 MW pode

custar até US$ 1,5 milhão instalada, e isso não inclui o terreno, linhas de transmissão e outros

custos de infra-estrutura associados com o sistema de geração eólica. No total, o custo de uma

fazenda eólica está ao redor de US$ 1 mil por kW de capacidade, de modo que uma fazenda eólica

com sete turbinas de 1,8 MW custa aproximadamente US$ 12,6 milhões. O tempo de retorno do

investimento para uma grande turbina eólica, ou seja, o tempo necessário para gerar eletricidade

suficiente para compensar a energia consumida na construção e instalação da turbina, é de cerca de

três a oito meses, de acordo com a Associação Americana de Energia Eólica.

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Hoje a energia eólica tem um forte incentivo governamental, mas pode caminhar com as

suas próprias pernas podendo ser competitiva com as demais fontes de geração. Alguns países da

União Européia como a Alemanha e o Reino Unido já estabeleceram metas para a utilização da

energia eólica para algo em torno de 10% do seu consumo. Isto é um potencial que nós ainda

estamos muito longe de atingir, pois hoje a potência instalada no Brasil é de 250 MW, representado

ínfimos 0,25% da energia consumida no país. O potencial econômico por trás dessa energia tem

despertado interesse de muitas empresas e países, a exemplo da Dinamarca, que já produz 20% da

energia consumido no país através da força dos ventos. De acordo com cálculos do Ministério de

Minas e Energia feito em 2005, o potencial da energia eólica no Brasil é de 150 GW. Para efeitos de

comparação, a Usina de Itaipu produz 14 GW de energia. Todo este potencial está ai de graça

somente esperando para ser explorado.

6. REFERÊNCIAS

Sites consultados para a realização deste estudo:

Site p. 2, 3, 7 e 8 (disponível em: http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica.htm, acessado em 10/10/2009.Site p.3 e 4 (disponível em: http://planetasustentavel.abril.com.br/imagem/energia_eolica, acessado em 10/10/2009.

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Site p.2 (disponível em: http://www.ufjf.br/ppee/files/2008/12/211037.pdf, acessado em 10/10/2009, acessado em 10/10/2009.

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