A produção de energia elétrica é, em si, uma atividade perturbadora do ambiente, sendo praticamente impossível a sua produção sem criar algumas limitações ambientais [Melício10]. Embora a energia eólica esteja associada a benefícios ambientais significativos do ponto de vista das EAGEE para a atmosfera, existem outros aspetos ligados com a sua integração no meio ambiente, nomeadamente em contexto urbano que não podem ser negligenciados.
Em contexto urbano é normalmente referido pelas populações locais que o impacto visual dos aerogeradores, e o ruído constituem duas das formas de poluição que mais afetam, tendo sido estas algumas das preocupações que nortearam este trabalho.
Os ARV em relação aos ARH têm uma imagem tridimensional harmoniosa que facilita a integração visual em contexto urbano, sendo de antever em consequência que haja maior aceitação por parte das populações locais, embora pelo facto de operarem mais perto do solo ou das estruturas arquitetónicas onde possam vir a ser instalados possam
ocorrer objeções à sua utilização. Particularmente, no que respeita à segurança das pessoas e animais.
Também é facto que em contexto urbano o recurso eólico, i.e., o vento predominante é caraterizado por ser turbulento e com rápidas mudanças de direção. Os ARV apresentam vantagens sobre os ARH [Paraschivoiu09a] de serem praticamente inaudíveis e dispensarem os componentes elétricos e mecânicos de posicionamento, ‘yaw’, em relação à direção do escoamento incidente, visto que, para captar energia o fluxo de ar incidente não precisa de ter uma direção privilegiada como é comparativamente apresentado na Figura 2.4.
Figura 2.4 – Escoamento incidente sobre ARH e ARV.
Quando o escoamento do vento se apresenta ao aerogerador com uma direção obliqua, i.e., com direção ascendente ou descente encontrada geralmente no topo de edifícios ou entre estruturas, os ARV têm um maior aproveitamento energético [Mertens03, Ferreira06, Ferreira09b, Balduzzi12].Esta redução da quantidade de componentes conduz a outras vantagens tais como maior longevidade do aerogerador e menores custos com manutenção.
Tanto os ARV como os ARH apresentam a mesma eficiência apesar dos ARH serem os mais comuns [Paraschivoiu09a].
2.2.1 Auto Arranque
Os aerogeradores Savonius tendo um binário de arranque maior para ventos turbulentos e de velocidades baixas, apresentam auto arranque natural. A desvantagem deste aerogerador é o seu baixo coeficiente de potência, que o torna inadequado para locais com ventos turbulentos e de grandes velocidades [Alessandro10], sendo esta uma das razões que leva a encarar o estudo do aerogerador Darrieus de forma a aperfeiçoar o seu comportamento para que possa ser usado em contexto urbano não só com um aproveitamento da captação de energia eólica favorável, mas também com boa integração no contexto urbano.
Os aerogeradores Darrieus apresentam uma incapacidade natural de insuficiência de auto arranque, pelo facto de existirem pás que se movimentam contra a direção da corrente “Upstream” [Dominy08], sendo este facto uma influência negativa para que haja uma capacidade de auto arranque suficiente nestes aerogeradores. Várias soluções foram estudadas e desenvolvidas para ultrapassar a incapacidade de auto arranque dos aerogeradores Darrieus. Alguns desses estudos são descritos seguidamente.
Em [Kirke98] é estudada a incapacidade de auto arranque dos aerogeradores Darrieus de forma a identificar caraterísticas dos perfis das pás de aerogeradores Darrieus que podem influenciar positivamente a capacidade de auro arranque. Neste estudo é de destacar: os perfis de pás com concavidade; a existência de uma ponta no bordo de ataque do perfil para dividir mais eficazmente o escoamento da corrente do vento; os perfis espessos; os perfis mais largos. Apesar de em [Kirke98] ser proposto um novo perfil designado de S1210 que apresenta uma força de sustentação superior para números de Reynolds mais baixos e em [Olson09] ser proposto o perfil DU-06-W-200, não foram detetados testes de campo da eficiência deste perfil no auto arranque de aerogeradores Darrieus, que são sem dúvida uma parte experimental relevante para a aceitação e quantificação do benefício alcançado.
Em [Kirke91, Paraschivoiu09b, Kirke11, Chen13], entre outros trabalhos, é apresentado um sistema de melhoramento do ângulo de inclinação da pá dependendo do ângulo axial, melhorando as forças de sustentação e arrasto exercidas em todas as pás ao mesmo tempo, induzindo auto arranque no aerogerador. Este sistema requer a utilização
de mais componentes no auto arranque, sendo que estes componentes vão estar sobre fadiga mecânica uma vez que ficam sujeitos à elevada velocidade de rotação dos aerogeradores Darrieus. Não só com o aumento de componentes neste sistema se compromete uma das vantagens principais relativamente a ARH, mas também a fadiga sobre estes componentes comprometem a durabilidade do aerogerador.
O uso de palhetas guia que orientam a corrente de vento é uma vantagem uma vez que contribuem para diminuir as forças de arrasto nas pás que se movem contra a corrente e incrementam as forças de sustentação nas pás. Mas tem como desvantagem o facto de as palhetas terem de ser orientadas segundo a direção do vento; o número de componentes aumenta; a solidez do aerogerador também aumenta, levando ao aumento da ação do vento responsável pela flexão do eixo vertical [Takao09a, Takao09b, Chong12].
Uma das soluções apresentadas para ultrapassar a incapacidade de auto arranque do aerogerador Darrieus é ter uma configuração híbrida com um aerogerador Savonius, visto que, o aerogerador Savonius apresenta um grande binário para velocidades baixas do vento o que permite um auto arranque natural. No entanto, esta configuração acarreta problemas para velocidades altas de vento, uma vez que a configuração de aerogerador Savonius cria turbulência e forças de arrasto extra que influenciam negativamente o comportamento do aerogerador Darrieus [Wakui05, Hossain07, Gupta08, Alam09].
Em [Feldman89] são apresentadas algumas soluções que têm como base o recurso a pás que mudam a sua forma durante a rotação do rotor. Estas pás funcionam recorrendo a forças de arrasto ou recorrendo a forças de sustentação alternadamente dependendo do ângulo axial da pá. No entanto, a mudança da forma da pá leva à instalação de componentes extra, aumentando a fadiga da pá, para além de não permitirem uma melhoria adequada do perfil aerodinâmico da pá.
Em [Alidadi09] são apresentadas soluções que recorrem a canais que afunilam e reorientam a corrente do vento incidente sobre as pás, aumentando a sua velocidade. Esta solução apresenta as mesmas desvantagens que a solução que utiliza palhetas guia.
Uma solução usual no mercado é a utilização de um motor elétrico de arranque recorrendo a uma fonte externa de energia elétrica para fazer o arranque inicial do
aerogerador. Nesta solução a velocidade e direção do vento é constantemente monitorizada e ao atingir uma velocidade mínima predefinida ocorre o arranque inicial do aerogerador. Quando o aerogerador chega a uma determinada velocidade de rotação o motor de arranque é desligado passando o gerador a produzir energia elétrica. Esta solução apresenta a desvantagem da complexidade do controlo do aerogerador [Paraschivoiu09a].