UNIVERSIDADE FEDERAL DE
SÃO JOÃO DEL-REI
ENERGIAS RENOVÁVEIS – TE
ENERGIA EÓLICA
Sumário
1. Impacto Ambiental
2. Evolução da capacidade eólica
3. Características do recurso eólico
4. Classificação dos Sistemas Eólicos
5. Potência e energia geradas pela instalação
6. Estudo de caso / Exercícios
7. AVISO
Impacto Ambiental
O impacto ambiental causado pelas turbinas eólicas existe, porém, além de ser de outro tipo, é muito pequeno quando comparado com o de hidrelétricas e termelétricas. Atualmente, esses impactos, além daqueles causados pelo uso de baterias, só são considerados mais seriamente em alguns poucos países onde a questão ambiental se encontra mais avançada. Destacam-se, entre eles:
Ruído
Os geradores eólicos produzem ruído (especialmente nas pás), que aumenta de acordo com a velocidade do vento. Embora seja impossível eliminá-lo por completo, turbinas modernas produzem ruído em nível bem abaixo das convencionais.
Impacto Ambiental
Embora poucos países possuam normas quanto ao nível de ruído, elas são necessárias para garantir a aceitação pública de turbinas de grande porte e assegurar que os fabricantes desenvolvam projetos com baixo nível de ruído.
Ressalta-se que, no geral, turbinas eólicas não emitem um ruído muito elevado se comparado com outras máquinas de potência similar. Entretanto, quando instaladas em locais próximos de áreas habitadas, elas têm causado alguns incidentes.
Existem duas fontes principais de ruído. Uma delas origina-se nos equipamentos mecânicos ou elétricos, tais como a caixa de engrenagem e o gerador, conhecido como ruído mecânico; a outra é devida à interação do fluxo de ar com as pás, referido como ruído aerodinâmico.
Impacto Ambiental
O ruído mecânico é considerado o principal problema, porém, ele pode ser reduzido por meio do uso de engrenagens especiais, mais silenciosas, montagem do equipamento em estruturas mais resistentes e uso de proteção acústica. O ruído aerodinâmico é afetado pelo formato das pás, das bordas e ponta; pela interação dos ventos com as pás e torre; se as pás estão operando ou não em condições estáveis; e pelas condições de turbulência dos ventos, que causam forças instáveis nas pás. O ruído aerodinâmico tende a aumentar com a velocidade de rotação.
Por esta razão, algumas turbinas são projetadas para
operarem em velocidades de rotação menores quando a
Impacto Ambiental
Interferência Eletromagnética
A interferência eletromagnética acontece quando a turbina eólica é instalada entre os receptores e transmissores de ondas de rádio, televisão ou micro-ondas. As pás das turbinas podem refletir parte da radiação eletromagnética em uma direção tal que a onda refletida interfira no sinal original que chega ao receptor. A extensão da interferência eletromagnética causada pela turbina eólica depende principalmente do material em que são feitas as pás e do formato da superfície da torre.
Pás de madeira absorvem mais do que refletem as ondas de rádio e as torres facetadas refletem mais do que as torres lisas arredondadas, em razão de suas superfícies planas.
Impacto Ambiental
Colisão de Pássaros
O impacto de fazendas eólicas sobre a população local de pássaros tem causado preocupações aos ecologistas. No entanto, segundo análises feitas nas fazendas eólicas, o número de mortes de pássaros por colisão com as turbinas é bem menor que aquele causado pelas linhas de alta tensão. Na Califórnia, por exemplo, a cada dois meses morre um pássaro devido à colisão com turbinas eólicas.
Neste contexto, deve citar-se também a interferência dessas fazendas nas rotas migratórias das aves. Apesar de a mortandade de pássaros não ser tão significativa, é recomendado levar em consideração no projeto as rotas migratórias dos pássaros.
Impacto Ambiental
Impacto Visual e Aceitação Pública
Em algumas áreas pode haver conflitos entre a preservação da paisagem natural e a necessidade de substituir uma fonte de origem fóssil, que é bem mais danosa ao meio ambiente.
Embora a solução para essa questão não seja fácil, a exclusão de algumas áreas no desenvolvimento de projetos eólicos pode minimizar esse impacto.
De forma geral, o impacto visual é determinado por vários parâmetros, entre os quais o tamanho da turbina, seu design, número de pás, cor, número de turbinas em uma fazenda eólica e seu layout.
Impacto Ambiental
Impacto Ambiental
A percepção individual de um projeto de geração eólica depende também de parâmetros sociais, tais como o nível individual de entendimento da tecnologia, opiniões sobre quais fontes de energias são desejáveis e o envolvimento do indivíduo no projeto.
Uma das vantagens das turbinas eólicas está na possibilidade de usar a terra ao redor delas para plantio de várias culturas e para pastagem.
A aceitação pública, mais crítica em projetos de grande porte, depende da educação e da participação nas decisões locais. É importante que o público receba toda a informação necessária quanto às diversas fontes alternativas de energia para que possa influir no processo decisório.
Evolução da capacidade eólica
Os sistemas eólicos são uma fonte de geração praticamente inofensiva ao meio ambiente, o que faz com que os estudos de impacto ambiental sejam mais simples e rápidos que os requeridos por fontes tradicionais de geração elétrica.
Este fato, aliado às escalas industriais de produção e montagem de turbinas, com custos progressivamente decrescentes, fizeram da energia do vento a fonte energética com maiores taxas de crescimento em capacidade geradora, apresentando uma taxa composta média de crescimento anual de 28%, durante os últimos 15 anos.
A Figura 2 apresenta a evolução cumulativa da capacidade eólico-elétrica instalada no mundo, ao longo das últimas décadas.
Características do recurso eólico
O vento pode variar bastante no intervalo de horas ou dias, porém, em termos estatísticos, tenderá a um regime diurno predominante, regido por influências locais (microescala) e regionais (mesoescala).
No intervalo de meses ou anos, os regimes de vento passam a apresentar notável regularidade, tendo um regime sazonal bem definido. Ao longo de décadas, em geral, as velocidades médias anuais apresentam variações inferiores a 10% da média de longo prazo.
Os regimes anuais e sazonais são predominantemente controlados pelas grandes escalas atmosféricas: a escala sinótica e a circulação geral planetária.
Características do recurso eólico
Em alturas de até 100 m, de interesse ao aproveitamento energético, o vento é afetado de forma acentuada pelas condições de relevo e de rugosidade aerodinâmica do terreno, presença de obstáculos e estabilidade térmica vertical.
Nota-se a grande dependência do perfil vertical de velocidade do vento com a altura, a rugosidade do terreno e a estabilidade térmica vertical da atmosfera (se estável, neutra ou instavelmente estratificada).
Uma turbina eólica capta uma parte da energia cinética do vento, que passa através da área varrida pelo rotor e a transforma em energia elétrica.
Características do recurso eólico
Ao absorver a energia cinética, o rotor reduz a
velocidade do vento imediatamente a jusante do disco;
gradualmente essa velocidade se recupera, ao se misturar com as massas de ar do escoamento livre.
Das forças de sustentação aerodinâmica nas pás do rotor resulta uma esteira helicoidal de vórtices, a qual também gradualmente se dissipa (Figura 3). Após alguma distância a jusante, o escoamento praticamente recupera a velocidade original e turbinas adicionais podem ser instaladas, sem perdas energéticas significativas.
Na prática, essa distância varia com a velocidade do vento, as condições de operação da turbina, a rugosidade e a complexidade do terreno e a estabilidade térmica da atmosfera.
Figura 3 – Esteira aerodinâmica e afastamento entre turbinas em uma usina eólica.
Características do recurso eólico
Além disso, é necessário considerar um espaçamento mínimo entre as turbinas. Para os nossos estudos, utilizaremos a regra vista na Figura 4.
Classificação dos Sistemas Eólicos
O projeto de um sistema eólico, para um determinado tamanho de rotor e para uma determinada carga, busca atuação num intervalo ótimo de rendimento do sistema, com relação à curva de potência disponível no local.
Os aerogeradores são classificados por tamanho (altura e diâmetro das pás) e por potência instalada (potência nominal); de um modo geral, são divididos em pequenos médios e grandes. As Tabelas 1 e 2 apresentam, respectivamente, a classificação potência e tamanho.
Classificação dos Sistemas Eólicos
Tabela 1 – Relação de tamanho e potência instalada.
Potência e energia geradas pela instalação
A potência total de uma massa de ar com velocidade V, atravessando uma área A, pode ser calculada por:
em que:
ρ – densidade do ar no local (kg/m³);
A – área de varredura das pás do rotor (m²); V – velocidade do vento (m/s).
No caso dos aerogeradores, a potência também pode ser calculada através dessa fórmula, considerando-se a área A como a superfície traçada pelas pás do rotor de raio D/2.
𝑃
𝑑=
1
Potência e energia geradas pela instalação
Potência e energia geradas pela instalação
Para fins de comparação da potência eólica a diferentes velocidades e em diversos locais, é mais prático considerar a potência por unidade de área (Pd/A). Define-se Pd/A como fluxo de potência eólica ou potência média bruta (W/m²). Esse fluxo é perpendicular e proporcional à área dos coletores (rotor) dos aerogeradores. O aspecto mais relevante é que a potência do vento é proporcional ao cubo de sua velocidade. Isso significa que pequenas variações de velocidade de vento podem ocasionar grandes variações de potência.
Além disso, de modo geral, a potência eólica aumenta com a altura acima do nível do terreno, pelo menos até níveis de interesse prático (cerca de 150 m), como será visto mais adiante.
Potência e energia geradas pela instalação
- Densidade do ar
A potência gerada por uma turbina eólica é função direta da densidade do ar que impulsiona o rotor. As curvas de potência fornecidas pelos fabricantes são usualmente dadas para condições padrão da atmosfera (15ºC, nível do mar, densidade do ar de 1,225 kg/m³).
Portanto, o desempenho das máquinas nas diversas condições de operação deve ser corrigido para o efeito da variação da densidade com a altura e a temperatura locais.
Potência e energia geradas pela instalação
Uma expressão aproximada para o cálculo da densidade do ar, ρ (em kg/m³), a partir da temperatura T (em ºC) e altitude z (em metros), é dada por:
Potência e energia geradas pela instalação
A mudança da velocidade do vento com a altura pode ser estimada pela fórmula:
em que:
V – velocidade do vento na altura desejada;
V0 – velocidade do vento disponível na altura conhecida; H – altura desejada;
H0 – altura conhecida;
Potência e energia geradas pela instalação
Potência e energia geradas pela instalação
A potência eólica convertida em eletricidade depende da área do rotor e do rendimento do aerogerador, formado pela multiplicação dos seguintes rendimentos:
em que:
ηB – eficiência teórica (constante de Betz); ηA – rendimento aerodinâmico (pás);
ηM – rendimento do multiplicador de velocidades (quando houver);
ηr – rendimento do rotor; ηG – rendimento do gerador.
Potência e energia geradas pela instalação
A configuração geral do sistema eólico, determinada pelo tipo de aplicação e potência, indicará o rotor e o gerador ideais, cujo rendimento é fornecido pelo fabricante. Para a escolha do rotor, é necessário conhecer suas características aerodinâmicas: a) Área frontal (A em m²) – também conhecida como a área do disco, correspondente à área da superfície, normal à direção do vento, ocupada pelo rotor em movimento. No caso de rotores de eixo horizontal, de diâmetro D (m), a área frontal é calculada por A=πD²/4.
b) Razão de áreas (λ) (ou solidez) – é a razão entre a área das pás (apenas um lado) pela área frontal. λ alto significa rotores de muitas pás ou de pás largas e, consequentemente, baixa velocidade.
Potência e energia geradas pela instalação
c) Razão de velocidade (RV) ou TIP Speed Ratio – é a razão entre a velocidade tangencial, na ponta da pá, pela velocidade do vento. RV alta significa rotores de alta velocidade, isto é, que funcionam em altas rotações. A razão de velocidade calculada é:
em que:
N – número de rotações por segundo; D – diâmetro da pá do rotor;
Potência e energia geradas pela instalação
d) Potência do rotor (PR) – dada em W ou kW, é a parcela da potência disponível no vento, captada pelo rotor do gerador.
em que:
ηB – eficiência teórica (constante de Betz); ηA – rendimento aerodinâmico (pás);
ηr – rendimento do rotor;
Potência e energia geradas pela instalação
e) Coeficiente de potência (Cp) – exprime a porcentagem da Pd realmente aproveitada no eixo do rotor.
em que:
ηB – eficiência teórica (constante de Betz); ηA – rendimento aerodinâmico (pás).
A Figura 6 mostra o comportamento típico do coeficiente de potência de vários tipos de rotores.
No atual estado da arte, a eficiência da conversão da
energia cinética eólica em energia elétrica é de,
Potência e energia geradas pela instalação
De forma geral:
Pelétrica = 0,3 x área do rotor x energia cinética do vento
A potência elétrica entregue à carga, na forma CA, é: Pcarga = Pelétrica x ηI
em que:
Potência e energia geradas pela instalação
A produção anual de energia será:
em que:
EG – energia anual gerada; PI – potência instalada; FC – fator de capacidade.
Note que, assim como para a geração hidrelétrica e solar fotovoltaica, se não houver armazenamento, o fator de capacidade é uma variável intrinsecamente ligada às condições climáticas (no caso, velocidade do vento). Trata-se, no fundo, da relação entre o vento médio e o vento máximo (ou outro menor, que define a potência instalada).
Potência e energia geradas pela instalação
O armazenamento (bateria, para geração eólica e solar fotovoltaica, e barragem, para hidrelétrica) permite maior regularização e aumento do fator de capacidade.
Para o Brasil, mais especificamente para a região Nordeste, dada a homogeneidade de ventos de algumas regiões, como Fernando de Noronha e Rio Grande do Norte, acredita-se que o fator de capacidade total possa atingir 0,5 e, consequentemente, uma geração eólica mais competitiva (sistema eólico sem armazenamento). O fator de capacidade total para os aerogeradores gira em torno de 0,25 e 0,60.
Estudo de caso
Ex. 1) Deseja-se projetar um sistema eólico na zona urbana da
cidade de Fortaleza-CE, capaz de alimentar uma carga com potência média de 1000 kWh/mês, utilizando um aerogerador modelo AH-5kW, da empresa FC Solar (seus dados são apresentados na Figura 7). A densidade do ar na localidade é de 1,1644 kg/m³ (à temperatura ambiente de 30ºC), sendo os valores de velocidade do vento, Figura 8, obtidos a uma altura de 10 m. Sabendo que o sistema será instalado a 50 m do solo e que a eficiência do inversor é de 90%, calcule a velocidade mínima do vento para atender a demanda de potência. Utilize o valor de 80% para a eficiência do gerador e desconsidere a eficiência do rotor. Essa demanda será suprida todos os meses do ano? Em caso negativo, quais são as opções do projetista?
Estudo de caso
Estudo de caso
Estudo de caso
𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 𝜂𝐵. 𝜂𝐴. 𝜂𝐺. 𝜂𝑟. 𝜂𝑀. 𝜂𝐼. 𝑃𝑑 1388 = 0,4.0,8.0,91 2.1,1644.π. 6,4² 4 . 𝑉³ 𝑉 = 6,362 𝑚/𝑠 (à altura de instalação) 𝑃𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 = 1000 𝑘𝑊ℎ 𝑃𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 = 33,333 𝑘𝑊ℎ 𝑃ℎ𝑜𝑟𝑎 = 1,388 𝑘𝑊ℎ 𝑉10 = 𝑉50. 10 50 𝑛 𝑉10 = 6,360. 10 50 0,32𝑉10 = 3,8 𝑚/𝑠 (essa velocidade atende à demanda mínima, de acordo com a tabela dos ventos, em todos meses)
CP
𝑃𝑑 = 1
Estudo de caso
Exercício
Ex.2) Considerando que a eficiência do rotor do sistema eólico do exercício anterior é de 80% e que o mesmo é instalado a uma altura de 10 metros, refaça o projeto do sistema. Qual seria a altura mínima que garantiria o funcionamento desse sistema? Além disso, caso fosse necessário instalar 10 aerogeradores idênticos em uma planta, qual seria a menor área ocupada, seguindo as regras de projeto, organizando os mesmos em duas fileiras?
Deseja-se projetar um sistema eólico na zona urbana da cidade de Fortaleza-CE, capaz de alimentar uma carga com potência média de 1000 kWh/mês, utilizando um aerogerador modelo AH-5kW, da empresa FC Solar (seus dados são apresentados na Figura 7). A densidade do ar na localidade é de 1,1644 kg/m³ (à temperatura ambiente de 30ºC), sendo os valores de velocidade do vento, Figura 8, obtidos a uma altura de 10 m. Sabendo que o sistema será instalado a 50 m do solo e que a eficiência do inversor é de 90%, calcule a velocidade mínima do vento para atender a demanda de potência. Utilize o valor de 80% para a eficiência do gerador e desconsidere a eficiência do rotor. Essa demanda será suprida todos os meses do ano? Em caso negativo, quais são as opções do projetista?
Exercício
Solução
𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 𝜂𝐵. 𝜂𝐴. 𝜂𝐺. 𝜂𝑟. 𝜂𝑀. 𝜂𝐼. 𝑃𝑑 1388 = 0,4.0,8.0,8.0,9.1 2.1,1644.π. 6,4² 4 . 𝑉³ 𝑉 = 6,853 𝑚/𝑠 (à altura de instalação) 𝑃𝑚𝑒𝑛𝑠𝑎𝑙 = 1000 𝑘𝑊ℎ 𝑃𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 = 33,333 𝑘𝑊ℎ 𝑃ℎ𝑜𝑟𝑎 = 1,388 𝑘𝑊ℎ 𝑉10 = 𝑉𝑋. 10 𝐻𝑋 𝑛 5,6 = 6,853. 10 𝐻𝑋 0,32𝐻𝑋 = 18,794 𝑚 (altura mínima que o sistema deverá ser instalado para gerar a potência necessária)
CP
Ex.2)
Se for instalado a 10m não irá produzir a potência necessária em alguns meses do ano, em que o vento chega a 5,6 m/s
Solução
Ex.2) 𝐷𝑌 = 10. 𝐷 + 2.𝐷 2 = 70,4 𝑚 𝐷𝑋 = 4. 3. 𝐷 + 2.𝐷 2 = 83,2 𝑚 𝐴 = 𝐷𝑋. 𝐷𝑌 = 5857,28 𝑚²Exercício
Ex.3) Qual a máxima energia que poderá ser consumida pela carga em um sistema, instalado em uma área gramada no topo de uma montanha, com as seguintes características:
- Diâmetro da pá do aerogerador – 12 m;
- Altitude do local de instalação – 900 m;
- Altura da torre (em relação ao solo) – 20 m;
- Temperatura ambiente – 35 ºC;
- Coeficiente de potência – 0,35;
- Eficiência do gerador – 90 %;
- Eficiência do rotor – 75 %;
- Eficiência do inversor – 95 %;
- Velocidade média do vento – 8 m/s (dados obtidos a 10 m de altura em relação ao solo);
Solução
𝑃𝑜 = 𝜂𝐵. 𝜂𝐴. 𝜂𝐺. 𝜂𝑟. 𝜂𝑀. 𝜂𝐼. 𝑃𝑑 𝑃𝑜 = 0,35.0,9.0,75.0,95.1 2.1,030.π. 12² 4 . 8,693³ 𝑃𝑜 = 8595,176 𝑊 CP Ex.3) 𝑉20 = 𝑉10. 20 10 𝑛 𝑉20 = 8. 20 10 0,12 𝑉20 = 8,693 m/s (a 20m de altura) 𝜌 = 352,98. 1 − 900 45271 5,2624 273,15 + 35 𝜌 = 1,030 𝑘𝑔/𝑚³Planejamento das aulas
As próximas aulas da disciplina seguirão o seguinte cronograma:
07/11 – AULA 26 – BIOGÁS / BIOMASSA
12/11 – AULA 27 – BIOGÁS / BIOMASSA
14/11 – HORÁRIO LIVRE NO LABORATÓRIO / ENTREGA DO RELATÓRIO DO
TRABALHO FINAL
19/11 – APRESENTAÇÃO TRABALHO FINAL EM LABORATÓRIO 21/11 – APRESENTAÇÃO TRABALHO FINAL (SALA DE AULA) 26/11 – AULA 28 – REVISÃO PARA A PROVA 2
28/11 – PROVA 2
03/12 – PROVA SUBSTITUTIVA
Bibliografia
1. Odilon A. Camargo do Amarante, Fabiano de Jesus Lima da Silva, Paulo Emiliano Piá de Andrade, “Atlas eólico : Minas Gerais”, Belo Horizonte-MG, 84p., 2010.
2. Reis, Lineu Belico dos, “Geração de Energia Elétrica”, 2ª ed., Manole, Barueri-SP, 2011.
