TURBINAS EÓLICAS

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CENTRO UNIVERSITRIO DE JARAGU DO SUL UNERJ CENTRO DE TECNOLOGIA E ARTES CURSO DE ENGENHARIA MECNICA

TURBINAS ELICAS

ANGELO ANTONIO DE OLIVEIRA

JARAGU DO SUL

OUTUBRO DE 2010

CENTRO UNIVERSITRIO DE JARAGU DO SUL UNERJ CENTRO DE TECNOLOGIA E ARTES CURSO DE ENGENHARIA MECNICA

TURBINAS ELICAS

Trabalho apresentado na disciplina de Mquinas de fluxo no Curso de Engenharia Mecnica.

ANGELO ANTONIO DE OLIVEIRA

Professor:, Eng.

JARAGU DO SUL OUTUBRO DE 2010

SUMRIO 1. INTRODUO...........................................................................................................................7 Figura 1.1 Primeiro Modelo de Turbina Elica Registrado............................................................71.1.PIONEIROS DA ENERGIA ELICA........................................................................7

Figura 1.5 Turbina elica de Poul La Cour....................................................................................91.2.ENERGIA ELICA NO CENRIO MUNDIAL..........................................................12 1.3.ENERGIA ELICA NO CENRIO BRASILEIRO.....................................................13

2. TURBINAS ELICAS..............................................................................................................162.1TIPOS DE TURBINAS..........................................................................................16

Figura 2.1 Turbinas elicas de eixo vertical (esq.) e de eixo horizontal (dir.).............................16 Figura 2.2 Evoluo da potncia das turbinas com relao ao seu tamanho ao longo dos anos. .17 Figura 2.3 Turbina do tipo Savonius............................................................................................18 Figura 2.4 Turbina do tipo Darrieus.............................................................................................181.4.COMPONENTES DE UMA TURBINA....................................................................19

Figura 2.5 Componentes de uma Turbina elica de eixo horizontal............................................201.5.DIMENSIONAMENTO DE UMA TURBINA............................................................21

Figura 2.5 Volume de controle para uma turbina elica de horizontal.........................................221.6.ANLISE CRTICA DA UTILIZAO DE TURBINAS ELICAS ...............................24

3. CONSIDERAES FINAIS....................................................................................................26INOVAES TECNOLGICAS E CURIOSIDADES......................................................30

RESUMO Este trabalho visa informar em detalhes as caractersticas dos equipamentos destinados captura da energia proveniente dos ventos e sua transformao em energia mecnica, normalmente na forma de rotao de eixo. Estes equipamentos so conhecidos como Aerogeradores ou Turbinas Elicas e so, atualmente, uma promessa de energia renovvel limpa, segura e de baixo custo. As turbinas elicas atuais utilizam modernos conceitos de aerodinmica e o que h de mais recente em inovao tecnolgica, de modo a torn-las cada vez mais eficientes.

Palavras Chave: Turbinas; Turbinas Elicas; Aerogeradores; Energia Elica.

LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Primeiro Modelo de Turbina Elica Registrado.............................................................7 Figura 1.5 Turbina elica de Poul La Cour.....................................................................................9 Figura 2.1 Turbinas elicas de eixo vertical (esq.) e de eixo horizontal (dir.)..............................16 Figura 2.2 Evoluo da potncia das turbinas com relao ao seu tamanho ao longo dos anos.. .17 Figura 2.3 Turbina do tipo Savonius.............................................................................................18 Figura 2.4 Turbina do tipo Darrieus..............................................................................................18 Figura 2.5 Componentes de uma Turbina elica de eixo horizontal.............................................20 Figura 2.5 Volume de controle para uma turbina elica de horizontal..........................................22

LISTA DE TABELAS

1.

INTRODUO Utilizar os ventos como forma de prover potncia para a realizao de tarefas diversas no

algo novo. Foi uma das primeiras fontes de energia natural utilizada, sendo que o principal dispositivo utilizado no passado, alm da vela, foi o moinho de vento. Moinhos de vento de eixo vertical, que giravam lentamente, eram utilizados para bombear gua de poos e para girar rodas de pedras que moam gros, da o nome moinho de vento. Existem indcios da existncia desses moinhos na China e na Babilnia por volta de 2000 a.C. O primeiro uso documentado oficialmente da energia do vento tambm creditado aos Persas. Um moinho de eixo vertical (figura 1.1) utilizando o conceito das velas de embarcaes era feito de junco e madeira. Tambm h relatos oficiais de uso de moinhos de vento de eixo vertical na China, no ano de 1219.

Figura 1.1 Primeiro Modelo de Turbina Elica Registrado Fonte: http://www.telosnet.com

Turbinas elicas s foram utilizadas para gerao de energia eltrica pela primeira vez em 1888 (figura 1.3) e a primeira turbina comercial instalada na rede eltrica pblica foi em 1976, na Dinamarca. Atualmente existem prximo de 40 mil turbinas elicas em operao no mundo.

1.1.

PIONEIROS DA ENERGIA ELICA

1.1.1. Charles F. Brush (1849-1929)

Figura 1.2 Charles F. Brush Fonte: http://www.lafavre.us.

Um dos fundadores da indstria eltrica norte-americana. No Inverno de 1887-88, Brush construiu, em Cleveland1, uma mquina automatizada para produo de eletricidade. Devido aos recursos da poca, as dimenses eram enormes. O dimetro do rotor era 17 m, 144 ps de rotor feitas de madeira de cedro, que apesar dessas dimenses, gerava apenas 12 kW. A turbina funcionou durante 20 anos e alimentava no poro da casa de Brush. Foi o primeiro equipamento do tipo a utilizar caixa de reduo (com relao de transmisso de 50:1) que fazia um gerador de corrente contnua girar a 500 rpm

Figura 1.3 A turbina elica de Brush. Primeira turbina usada para gerao de energia eltrica. Fonte: http://www.telosnet.com

1.1.2. Poul la Cour (1846-1908)

1

Ohio, Estados Unidos.

Figura 1.4 Poul La Cour Fonte: www.windsofchange.dk

Esse meteorologista Dinamarqus foi considerado o pai da indstria elica moderna e serviu de referncia para muitos estudiosos e foi um dos responsveis pelo grande avano da indstria elica dinamarquesa. A sua primeira turbina elica comercializvel foi instalada aps a Primeira Guerra Mundial, durante um perodo de escassez generalizada de combustvel, e foi a primeira turbina a utilizar conceitos definidos de aerodinmica. Fundou o primeiro centro de investigao de energia elica em Jtland2, onde ministrou os primeiros cursos a engenheiros elicos. Juntamente com as suas primeiras experincias na tcnica dos tneis de vento publicou a primeira revista mundial sobre energia elica.

Figura 1.5 Turbina elica de Poul La Cour Fonte: http://www.hawkge.com

2

Regio central da Dinamarca.

1.1.3. Albert Betz (1885-1968)

Figura 1.5 Albert Betz Fonte: http://www.ipme.ru

Fsico alemo que foi diretor do Instituto de Aerodinmica em Gttingen3, formulou a lei Betz, demonstrando que o ponto otimizado fsico da utilizao da energia cintica dos ventos 59,3%. A sua teoria sobre o design das ps ainda hoje serve como referncia para a construo dos equipamentos. 1.1.4. Palmer Cosslet Putnam (1910-1986)

Engenheiro norte-americano que desenvolveu a turbina elica 1,25 MW Smith Putnam, em 1941, que funcionou com interregnos at 1945 e foi encerrada devido a danos nos materiais de construo, causados por materiais de construo inapropriados.

3

Cidade situada na regio central da Alemanha, distante 125 km de Hannover.

Figura 1.6 Turbina Smith-Putnan Fonte: http://www.enotes.com

1.1.5. Ulrich W. Httner (1910-1990) Engenheiro alemo que desenvolveu a turbina 100 kW StGW-34, que foi instalada em 1957 num campo experimental nos Alpes Subios4, considerada um dos marcos da tecnologia de energia elica moderna. 1.1.6. Johannes Juul (1887-1969)

Foi aluno de Poul la Cour e construiu a primeira turbina elica do mundo utilizada para produo de corrente alternada na Dinamarca em Vester Egesborg5, em 1957. Esta turbina foi um esboo das turbinas elicas modernas e gerava 200 kW.

4 5

Cadeia de Montanhas do sul da Alemanha. Cidade situada na regio central/sul da Dinamarca, distante 88 km de Copenhague.

Figura 1.7 Turbinas desenvolvidas por Johannes Juul Fonte: http://guidedtour.windpower.org

1.2.

ENERGIA ELICA NO CENRIO MUNDIAL O grande responsvel pelo crescimento da energia elica no cenrio mundial a

Dinamarca, que investiu mais, nestes ltimos anos, do que qualquer outro pas europeu. A Dinamarca possui alguns fabricantes que chegaram a suprir mais de 60% da demanda mundial de turbinas elicas e teve como maiores clientes, a Alemanha, a Espanha e a Inglaterra.

Figura 1.8 Grfico do Crescimento do uso mundial de energia elica. Fonte: Global Wind Energy Council.

Apesar da significativa contribuio da Dinamarca e de alguns outros pases europeus para disseminar o uso das turbinas elicas, o maior produtor de energia eltrica de origem elica atualmente no europeu. Devido a uma crise energtica e crise de petrleo, ocorridas na dcada de 70, os Estados Unidos, com grande participao da NASA6, investiram fortemente em desenvolvimento e implantao de fontes de energias alternativas. Atualmente o pas ocupa o primeiro lugar na produo de energia, seguido de perto pela Alemanha.Tabela 1.1 Quantidade de potncia produzida por pas.

Pas Estados Unidos Alemanha Espanha China ndia Itlia Frana Inglaterra Dinamarca Portugal Brasil

Potncia Instalada (MW) 25000 24000 17000 12500 9500 4300 4000 3700 3000 2600 835.3

% da produo mundial 20.8 19.8 13.9 10.1 8.0 3.1 2.8 2.7 2.6 2.0 0.7

Fonte: Global Wind Energy Council.

Devido s diversas conferncias relacionadas ao meio ambiente e ao aquecimento solar, a maioria dos pases do primeiro mundo est concentrando esforos no aumento do uso da energia elica, bem como no uso de outros tipos de energias renovveis. Os Estados Unidos tm como meta para 2020 que 6% da eletricidade sejam provenientes de gerao elica enquanto que a unio europia tem 12% como meta para o mesmo ano. 1.3. ENERGIA ELICA NO CENRIO BRASILEIRO Diversos estudos e levantamentos, que j foram ou que vem sendo realizados, do suporte a explorao da energia elica no Brasil. Com base nesses estudos o pas segue a tendncia mundial de utilizao cada vez maior da energia elica, j que atravs deles pode-se comprovar6

National aeronautics and space administration.

que temos um dos maiores potenciais elicos em todo o mundo. Esse potencial comprovado pelo constante crescimento na quantidade de usinas elicas em territrio brasileiro, que passou de 7 usinas, no final de 2001, para 46, atualmente. A tabela 1.1 mostra as usinas brasileiras em ordem de capacidade de produo de energia.Tabela 1.2 As 46 usinas elicas brasileiras. Usina

Praia Formosa Canoa Quebrada Elica Icaraizinho Parque Elico de Osrio Parque Elico Sangradouro Parque Elico dos ndios Bons Ventos RN 15 - Rio do Fogo Volta do Rio Parque Elico Enacel Elica Praias de Parajuru Praia do Morgado Parque Elico de Beberibe Foz do Rio Chor Elica Paracuru Pedra do Sal Taba Albatroz Elica Canoa Quebrada Millennium Elica de Prainha Elica gua Doce Elica de Taba Pirau Xavante Mandacaru Santa Maria Gravat Fruitrade Parque Elico do Horizonte Presidente Camurim Albatroz Coelhos I Coelhos III

Potncia (kW) 104.400 57.000 54.600 50.000 50.000 50.000 50.000 49.300 42.000 31.500 28.804 28.800 25.600 25.200 23.400 18.000 16.500 10.500 10.200 10.000 9.000 5.000 4.950 4.950 4.950 4.950 4.950 4.800 4.500 4.500 4.500 4.500 4.500

Municpio Camocim - CE Aracati - CE Amontada - CE Osrio - RS Osrio - RS Osrio - RS Aracati - CE Rio do Fogo - RN Acara - CE Aracati - CE Beberibe - CE Acara - CE Beberibe - CE Beberibe - CE Paracuru - CE Parnaba - PI So Gonalo do Amarante - CE Aracati - CE Mataraca - PB Aquiraz - CE gua Doce - SC So Gonalo do Amarante - CE Macaparana - PE Pombos - PE Gravat - PE Gravat - PE Gravat - PE gua Doce - SC Mataraca - PB Mataraca - PB Mataraca - PB Mataraca - PB Mataraca - PB

Atlntica Caravela Coelhos II Coelhos IV Mataraca Lagoa do Mato Elio - Eltrica de Palmas Mucuripe Macau Elica de Bom Jardim Elica de Fernando de Noronha Elica Olinda IMT

4.500 4.500 4.500 4.500 4.500 3.230 2.500 2.400 1.800 600

Mataraca - PB Mataraca - PB Mataraca - PB Mataraca - PB Mataraca - PB Aracati - CE Palmas - PR Fortaleza - CE Macau - RN Bom Jardim da Serra - SC

225 Fernando de Noronha - PE 225 Olinda - PE 2,2 Curitiba - PR Fonte: www.aneel.gov.br

O fato de os perodos de menor capacidade dos reservatrios das hidreltricas, coincidirem com os perodos de maiores ventos (portanto de maior gerao) de energia nas usinas elicas aumenta confiabilidade e estabilidade do sistema eltrico brasileiro. Alm disso, o fator de capacidade das usinas elicas em regies de ventos mdios anuais (superiores a 8m/s) chega a atingir 40% e, em algumas localidades do litoral nordeste do Brasil, em alguns meses pode atingir 60%. Mesmo com esse potencial alto, a produo de energia elica no Brasil ainda muito pequena, ocupando menos de 1% da produo de energia eltrica no pas, como mostra a tabela 1.2.Tabela 1.3 Origem e quantidade de eletricidade produzida no Brasil. Capacidade Total Instalada Tipo % N. de N. de (kW) (kW) Usinas Usinas 870 80.031.457 67 870 80.031.457 Hidro Natural 93 11.050.530 9,3 128 12.341.813 Gs Processo 35 1.291.283 1,1 leo Diesel leo Residual Biomass Bagao de Cana a Licor Negro 824 29 312 14 3.992.543 2.523.803 5.956.646 1.240.798 3,4 853 2,1 5 1 382 7.605.201 6,39 6.516.346 5,47

% 67,2 10,4

Petrleo

Madeira Biogs Casca de Arroz

40 9 7 2

327.827 48.522 31.408 2.007.000 1.594.054 835.336 5.650.000 2.250.000 200.000

0,3 0 0 1,7 1,3 0,7 5,5 2,2 0,2 2 9 46 2.007.000 1.594.054 835.336 1,68 1,34 0,7

Nuclear Carvo Mineral Elica

Carvo Mineral Paraguai Argentina

9 46

Importao

Venezuela

8.170.000

6,86

Uruguai Total

70.000 0,1 2.290 119.101.207 100 2.290 119.101.207 100 Fonte: www.aneel.gov.br

2. 2.1

TURBINAS ELICAS TIPOS DE TURBINAS Existem diversos tipos de turbinas elicas atualmente, devido variedade de modificaes

que podem ser feitas na construo das mesmas e tambm da possibilidade de serem instaladas na terra ou no mar e estar isolados ou agrupados em parques. As turbinas elicas se dividem, usualmente, em dois tipos principais, que so: Turbinas axiais de eixo horizontal (TEEH) e turbinas axiais de eixo vertical (TEEV). Essa diferenciao feita normalmente em funo da aplicao.

Figura 2.1 Turbinas elicas de eixo vertical (esq.) e de eixo horizontal (dir.) Fonte: http://www.eole.org

1.3.1. Turbinas axiais de eixo horizontal

So as mais comuns, sendo aplicadas, normalmente, nos parques elicos de produo de energia eltrica. Na maioria dos casos, a turbina constituda por trs ps, existindo tambm turbinas com uma ou duas ps. As turbinas de rotor de duas ou trs ps apresentam uma relao entre potncia extrada e a rea de atuao do rotor superior s turbinas de rotor mltiplas, alm disso, seu rendimento o melhor entre todos os tipos e pode ser otimizado quando combinado com velocidades de vento mais elevadas. A turbina horizontal necessita de um mecanismo que permita o posicionamento do eixo da turbina em relao direo do vento, de modo a proporcionar um melhor aproveitamento dos ventos, principalmente em zonas onde a direo destes mude com freqncia. A potncia de uma turbina elica est diretamente relacionada com o dimetro do rotor, sendo mais elevada quanto maior for este dimetro. A figura 4.2 apresenta a evoluo da potncia das turbinas elicas na Alemanha entre 1980 e 2005.

Figura 2.2 Evoluo da potncia das turbinas com relao ao seu tamanho ao longo dos anos Fonte: http://www.windpower.org

1.3.2. Turbinas axiais de eixo vertical So as menos comuns, normalmente utilizadas em sistemas de bombeamento de gua, onde o custo final, devido simplicidade do sistema de transmisso e construo, pode

compensar o seu baixo rendimento. Devido baixa demanda, atualmente, poucas empresas fabricam turbinas elicas de eixo vertical. Os principais tipos de turbinas de eixo vertical so as turbinas de Savonius (figura 1.7) e as de Darrieus (figura 1.8).

Figura 2.3 Turbina do tipo Savonius Fonte: http://www.reuk.co.uk

As turbinas do tipo Savonius operam com um elevado torque e podem apresentar uma curva de rendimento em relao velocidade bastante prxima da curva de rendimento das turbinas de eixo horizontal de mltiplas ps.

Figura 2.4 Turbina do tipo Darrieus Fonte: http://www.reuk.co.uk

As turbinas do tipo Darrieus so movidas por foras de sustentao e constitudas por lminas curvas de perfil aerodinmico, ligadas pelas extremidades ao eixo vertical. As grandes vantagens deste tipo de turbina so o fato de no necessitarem de mecanismos de acompanhamento para variaes da direo do vento, o que reduz a complexidade do projeto e os esforos devido s foras de Coriolis7. Os rotores de eixo vertical tambm podem ser movidos por foras de sustentao e por foras de arrasto e de poderem estar diretamente implantadas no solo, eliminando a necessidade da instalao de uma torre. Como desvantagem, alm da limitao no rendimento da turbina, as turbinas verticais tendem a causar vibraes acentuadas em toda a sua estrutura. 1.4. COMPONENTES DE UMA TURBINA Neste tpico, iremos enfatizar somente turbinas elicas de eixo horizontal, que so as mais difundidas no mercado. Os aerogeradores possuem trs componentes bsicos: o rotor com as ps, a nacele (ou gndola) e a torre. Na nacele esto os principais componentes tais como o gerador eltrico, caixa multiplicadora de velocidades, eixos, mancais, sistema de freios sistema de controle e mecanismos de giro da turbina. O rotor apresenta geralmente, um conjunto de trs ps, podendo ter controle passivo ou ativo das mesmas para operar numa determinada rotao. Na maioria das mquinas o eixo que transmite o torque das ps apresenta uma velocidade de rotao baixa sendo necessrio aumentar a rotao utilizando um multiplicador de velocidades de engrenagens. Aps o multiplicador conectado ao gerador eltrico que transforma a energia mecnica em eltrica. O gerador eltrico pode ser assncrono (induo) apropriado para trabalhar com rotao constante ou gerador sncrono utilizado em sistemas com rotao varivel. Existem tambm turbinas elicas de grande porte que utilizam geradores sncronos de imas permanentes que operam com baixa rotao dispensando a caixa multiplicadora.

7

Gustave-Gaspard Coriolis, engenheiro francs que desenvolveu a teoria das foras perpendiculares direo do movimento.

Figura 2.5 Componentes de uma Turbina elica de eixo horizontal Fonte: http://www.howstuffworks.com.br

Como o nome indica, o eixo da TEEH montado horizontalmente, paralelo ao solo e, para funcionar continuamente, este tipo de turbina precisa se alinhar constantemente com o vento, usando um mecanismo de ajuste. O sistema de ajuste padro consiste de motores eltricos e caixas de engrenagens que movem todo o rotor para a esquerda ou direita em pequenos incrementos. O controlador eletrnico da turbina l a posio da turbina (mecnico ou eletrnico) e ajusta a posio do rotor para capturar o mximo de energia elica disponvel. As TEEHs usam uma torre para elevar os componentes da turbina a uma altura ideal para a velocidade do vento (e para que as ps possam ficar longe do solo) e ocupam muito pouco espao no solo, j que todos os componentes podem estar a at 80 metros de altura. Os principais componentes de uma TEEH e suas funes so: Ps do rotor: capturam a energia do vento e a convertem em energia rotacional no eixo; Eixo: transfere a energia rotacional para o gerador; Nacele: a carcaa, similar s de turbinas de avio, que abriga a caixa de engrenagens, o gerador, a unidade de controle eletrnico, o controlador e os freios: Caixa de engrenagens: aumenta a velocidade do eixo entre o cubo do rotor e o gerador; Gerador: usa a energia rotacional do eixo eletromagnetismo; para gerar eletricidade usando

Unidade de controle eletrnico (no mostrada): 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 (no mostrado): move o rotor para alinh-lo com a direo do vento; Freios: detm a rotao do eixo em caso de sobrecarga de energia ou falha no sistema. Torre: sustenta o rotor e a nacele, alm de erguer todo o conjunto a uma altura onde as ps possam girar com segurana e distantes do solo; Equipamentos eltricos: transmitem a eletricidade do gerador atravs da torre e controlam os diversos elementos de segurana da turbina.

1.5.

DIMENSIONAMENTO DE UMA TURBINA 1.5.1. Dimensionamento preliminar Podemos calcular a potncia terica gerada por uma turbina elica com o objetivo de analisar a viabilidade da instalao da mesma, dadas as informaes sobre as condies dos ventos. Esta anlise apenas terica, j que no considera perdas durante o processo. Potncia igual ao trabalho (Energia) dividido pelo tempo:

(2.1) O trabalho realizado pelo ar, neste caso, igual a sua energia cintica, logo: (2.2) Substitudo na equao (x), ento:

(2.3) Analisando a relao de massa da massa do ar com a variao do tempo:

(2.4) Por fim obtemos a equao da potncia terica de uma turbina:

(2.5) Onde W o trabalho, t a variao do tempo, Ec a energia cintica, P potncia, a vazo em massa, Q a vazo em volume, a densidade do ar, V a velocidade do ar e A a rea varrida pelas hlices do rotor. Recomenda-se utilizar um fator de multiplicao de 0.5 (=50%) para o valor da potncia, que o rendimento considerado satisfatrio para uma turbina elica normal. Com base na equao (2.5) podemos determinar se as dimenses selecionadas so as mais recomendadas e o quando a variao da velocidade do ar influencia no clculo da potncia. Por exemplo, se um ar aumenta sua velocidade de 10 km/h para 11 km/h (aumento de 10% ) a potncia se eleva em 33%. Outro exemplo sobre a rea varrida pelo rotor. Com um dimetro de ps de 3 m e uma velocidade do ar de 32 km/h, obtemos uma potncia de 3050 W. Se o dimetro da hlice aumenta para 6 m sem alterao na velocidade do ar, a potncia aumenta para 12200 W. 1.5.2. Dimensionamento real A anlise de uma turbina elica pode se feita com base em uma hlice operando reversamente. Ento, aplica-se o modelo idealizado de Rankine8 ao escoamento unidimensional atravs da turbina.

Figura 2.5 Volume de controle para uma turbina elica de horizontal Fonte: FOX, 2006

8

William John Macquorn Rankine, engenheiro e fsico escocs.

Na figura 2.5, que representa o volume de controle aplicado a uma turbina elica de eixo horizontal, observam-se trs velocidades: a velocidade do vento afastado da turbina, denotada por V, a velocidade da corrente de ar no disco da turbina, V(1-a), e a velocidade do vento aps passar pela turbina, V(1-2a). O fator a presente nas duas ltimas velocidades representa a desacelerao do ar atravs da turbina elica e chamado de fator de interferncia, adimensional, que varia de 0 a 0,5. Dessa forma, uma corrente de ar chega s ps da turbina com determinada velocidade e desacelerada, movendo-se a jusante com velocidade menor. Segundo Fox (2006, p.564) A aplicao direta da equao da quantidade de movimento linear a um VC prev o empuxo axial numa turbina de raio R como sendo: FT=2R2V2a(1-a) (2.6)

Onde R o raio da p da turbina, em m, a massa especfica do ar passando atravs da turbina, em kg/m3, V a velocidade da corrente de ar a montante da turbina, em m/s, e a o fator de interferncia, adimensional. Sendo a potncia o produto de uma fora por uma velocidade, tem-se, para a turbina elica, o produto da fora de empuxo axial (frmula 1) pela velocidade da corrente de ar no disco da turbina, V(1-a), donde resulta: Pot=2R2V3a(1-a)2 (2.7)

Onde Pot a potncia retirada da corrente de vento, em W. Segundo Fox (2006) o coeficiente de potncia ou a eficincia dada por: =4a(1-a)2 (2.8)

Dessa forma, a eficincia terica mxima ocorre quando a igual a 1/3 sendo, para esta situao, =0,593. Essa eficincia baixa quando comparada a de turbinas hidrulicas. Isso porque, caso o rotor extrasse toda a energia do vento, a velocidade do mesmo aps atingir as ps passaria a ser zero. A Enercon9, da Alemanha, projetou uma p de rotor para turbina elica que9

Enercon GmbH. Maior empresa alem de fabricao de turbinas elicas.

atingiu uma eficincia de 56%, aproximando-se do limite terico de Betz, de 59,3%. (HINRICHS, 2010, p.463) Deve-se ressaltar que a eficincia de 59,3% um limite terico. Isso porque, o modelo de Rankine, inclui certas hipteses que limitam seu uso: admite-se que a turbina afeta apenas o ar contido no volume de controle da figura 2.5, gradientes radiais de presso so desprezados bem como a energia cintica de redemoinho atrs da turbina. 1.6. ANLISE CRTICA DA UTILIZAO DE TURBINAS ELICAS Quando se deseja utilizar turbinas elicas, devem ser analisados diversos fatores que influenciam diretamente na viabilidade do uso, principalmente quando se trata de um nmero grande de turbinas a serem instaladas em um mesmo local. O local escolhido para a instalao das turbinas deve ser cuidadosamente vistoriado a fim de avaliar a disponibilidade e a freqncia dos recursos elicos. Essa vistoria normalmente feita atravs de coleta de dados meteorolgicos e medies que podem durar vrios meses. Existe a necessidade de uma avaliao ambiental, verificando as condies do solo e analisando se o local no faz parte da rota de aves migratrias e at mesmo se no reduto de animais ou aves em extino. Aps o detalhamento preliminar do parque elico, quando definida a quantidade de material para a construo, podem ser calculados os custos da instalao das turbinas e tambm os custos de transporte, que podem tornar-se demasiadamente elevados, dependendo do acesso ao local de instalao. A necessidade de contratao de mo e obra terceirizada tambm deve ser includa nos custos do projeto. As vantagens de uma turbina elica so: uma fonte de energia segura e renovvel; No polui o ambiente; Suas instalaes so mveis, e quando retirada, pode-se refazer toda a rea utilizada; Tempo rpido de construo (menos de 6 meses); Recurso autnomo e econmico;

Poupana devido menor aquisio de direitos de emisso de CO2 por cumprir o protocolo de Quioto e diretivas comunitrias e menores penalizaes por no cumprir; Possvel contribuio de cota de gerao de energia eltrica para outros setores da actividade econmica; uma das fontes mais baratas de energia podendo competir em termos de rentabilidade com as fontes de energia tradicionais. Os parque elicos so compatveis com outros usos e utilizaes do terreno como a agricultura e a criao de gado; Gerao de investimento em zonas desfavorecidas; Benefcios financeiros para os proprietrios do local de instalao.

Entre as desvantagens, citamos: Impacto visual: sua instalao gera uma grande modificao da paisagem; Influncia sobre as aves e insetos do local; principalmente pelo choque delas nas ps; Impacto sonoro: o som do vento bate nas ps produzindo um rudo constante de aproximadamente 43 dB(A), devido a isso, as turbinas elicas devem ser instaladas a uma distncia mnima de 200m das residncias do local. Baixo rendimento de potncia quando comparadas, principalmente, s turbinas hidrulicas; Em alguns casos, podem causar interferncias eletromagnticas nas ondas de rdio e telecomunicao;

3.

CONSIDERAES FINAIS As turbinas elicas, como parte integrante de um sistema de produo de energia de fonte

renovvel, tendem a tornar-se cada vez mais presentes nas nossas vides. So grandes os estudos de matrias primas e tecnologias que possam viabilizar cada vez mais a utilizao destes equipamentos, seja por reduo de custos ou por melhoria no funcionamento e rendimento. Estes equipamentos que outrora dependiam de produo manual, de tecidos, metais e tinham funcionamento restrito, hoje esto entre os mais visados quando o assunto inovao tecnolgica. A indstria de fabricao em srie, indstria eletrnica, materiais compsitos, aerodinmica e meteorologia, so os principais responsveis pela evoluo observada na gerao de energia elica. Nos apndices destacamos algumas inovaes recentes na rea de energia elica.

REFERNCIAS FOX, Robert W.; McDONALD, Alan T.; PRITCHARD, Philip J. Mecnica dos Fluidos. 6 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006. HINRICHS, Roger A.; KLEINBACH, Merlin; REIS, Lineu Blico dos. Energia e meio ambiente. Traduo Lineu Blico dos Reis, Flvio Maron Vichi, Leonardo Freire de Mello. 4 ed. So Paulo: Cengage Learning, 2010. BRAN, Richard; DE SOUZA, Zulci. Mquinas de Fluxo: turbinas, bombas, ventiladores. Rio de Janeiro: Ao Livro Tcnico, 1969. GASCH, R; TWELE. J. Wind Power Plants: fundamentals, design, construction and operation. Berlin: Solarpraxis, 2002. BURTON, Tony. Wind energy: handbook. Chichester: John Wiley & Sons, 2006. JOHNSON, Richard W. The handbook of fluid dynamics. Boca Raton: CRC PRESS, 1998 ANEEL - AGNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELTRICA. Atlas de Energia Eltrica do Brasil: 3. Ed. Braslia: 2008. PONTES, Beatriz Maria Soares. Atlas das potencialidades brasileiras: Brasil grande e forte. So Paulo: Melhoramentos, 1974.

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SOFTWARES MathCad 20000.

ANEXOS

ANEXO A INOVAES TECNOLGICAS E CURIOSIDADES Fazenda de energia elica vai armazenar vento em rochas10. A maioria das fazendas de gerao de energia elica passa por perodos nos quais o vento mais forte do que o necessrio, principalmente noite. Essa energia extra ser utilizada para alimentar enormes compressores de ar, que enviaro o ar comprimido por meio de um tnel para uma camada de arenito localizada a cerca de 1.000 metros de profundidade. O arenito uma rocha extremamente porosa e, a essa profundidade, fica encharcado de gua. O ar sob presso ficar armazenado nesses poros, expulsando a gua. O arenito fica localizado entre camadas de argila, que funcionam como um lacre que no deixa o ar escapar. Nos momentos de pico de demanda, quando mais energia necessria, o ar comprimido nessas rochas profundas ser ento redirecionado para a superfcie, sendo utilizado para gerar eletricidade. A usina no inteiramente movida pela energia do vento. Ela na verdade uma usina hbrida, que utiliza energia elica e uma turbina movida a gs natural. O ar-comprimido consegue elevar o rendimento da turbina em at 60%. A usina dever entrar em operao em 2011. Energia do vento vai evitar emisso de 1,5 bi de toneladas de CO211. Estudo divulgado pelo Conselho Mundial de Energia Elica estima que a energia gerada a partir dos ventos atender 12% da demanda eltrica mundial em 2020 e at 22% em 2030. O trabalho, em conjunto com o Greenpeace International, prev que o mundo ter 1.000 GW em operao daqui a dez anos, evitando a emisso de 1,5 billho de toneladas anuais de dixido de carbono (CO2), o principal gs de efeito estufa. Alm dos benefcios para o meio ambiente, a energia elica j oferece 600 mil empregos diretos e indiretos. At 2030, a projeo de que supere 3 milhes de vagas em todo o mundo. Este ano, um aerogerador colocado em operao a cada 30 minutos. Uma em cada trs turbinas est sendo instalada na China, informou Sven Teske, especialista de energias do Greenpeace10 11

Notcia publicada em www.inovacaotecnologica.com.br em 8 de Outubro de 2007. Notcia publicada em www.correiodoestado.com.br em 18 de Outubro de 2010

Internacional. A China o maior mercado mundial de energia elica e tem a maior indstria de aerogeradores. Super turbina elica utiliza levitao magntica para produzir at 1 GW12 A empresa MagLev apresentou na China aquela que poder ser a soluo tecnolgica que faltava para a viabilizao econmica da energia elica. Com um design totalmente diferente dos tradicionais cataventos, a turbina MagLev utiliza levitao magntica para oferecer um desempenho muito superior em relao s turbinas tradicionais. As ps verticais da turbina de vento so suspensas no ar acima da base do equipamento. Ao invs se sustentarem e de girarem sobre rolamentos, essas ps ficam suspensas, sem contato com outras partes mecnicas - e, portanto, podem girar sem atrito, o que aumenta exponencialmente seu rendimento. A turbina utiliza ms permanentes, e no eletroms, que poderiam diminuir seu rendimento lquido, j que uma parte da energia gerada seria gasta para manter esses eletroms em funcionamento. Segundo a empresa, a turbina MagLev consegue gerar energia a partir de brisas de apenas 1,5 metros por segundo e consegue suportar at vendavais de at 40 metros por segundo - o equivalente a 144 km/h. Segundo a empresa, a nova turbina gera 20% a mais de energia em relao turbinas convencionais e tem um custo de manuteno 50% menor. Ainda segundo as estimativas do seu fabricante, uma super-turbina elica que utiliza levitao magntica poder funcionar continuamente por... 500 anos.

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Notcia publicada em www.inovacaotecnologica.com.br em 30 de Novembro de 2007