Energia Eólica
A energia eólica ou energia dos ventos, tem sido utilizada há vários séculos, sob as mais diversas formas e para as mais diversas aplicações.
Ícaro, usando asas e o vento, voou tão alto, que aproximou-se do Sol, que derreteu a cera, que fixava as asas e despencou, segundo a mitologia.
O Hamurabi, famoso imperador da Babilônia, na Mezopotânia ( 2000 AC ), usou a energia dos ventos para irrigar os seus campos agrícolas, para o desenvolvimento daquela região, que alcançou grande progresso. Vide Código de Hamurabi com 250 artigos, Monumento aos Juristas.
Na China, na Pérsia, na Europa, sempre foram usados os cata-ventos, para diversos fins, foi porem na Idade Média ( 1350 DC ), que os moinhos de vento começaram a ser usados na Holanda.
Os aeromotores só apareceram em 1724, quando Leupold Jacob, começou a acionar uma bomba de pistão alternativo, com auxílio de um cata-vento de 8 pás, para retirar água de um poço, na Alemanha.
Os pássaros usam o vento em vôo a vela, desde que surgiram na Terra. Os navegadores antigos usavam velas ao vento e remos e só recentemente apareceram as máquinas a vapor, por isso os navios foram chamados de vapor.
Diferença de temperatura entre a camada próxima da superfície da terra aquecida pelos raios solares e as camadas superiores da nossa atmosfera, geram correntes convectivas.
A energia da radiação solar, sendo responsável pelo movimento convectivo do ar, direciona as correntes da nossa atmosfera, que sobem no equador e descem nos pólos, condensando vapores, precipitando energia sob a forma de chuva.
As correntes ascendentes do equador são mais intensas do que as das outras zonas da terra, por isso produzem ventos de 30 a 50 km horários e a rotação da terra, interfere com a direção dos ventos, entre os pólos e o equador, provocando uma resultante inclinada em relação a perpendicular pelo equador.
Perturbações magnéticas solares produzem os ventos de grandes altitudes, conhecidos pelos aeronautas como tempestades de céu claro, depois estudos mais acurados, comprovaram existirem as correntes de grandes altitudes, utilizadas para economizar combustível nos vôos intercontinentais.
Os centros de baixa pressão que ocorrem na superfície da terra, produzem correntes ascendentes de 100 milhas por hora e ventos de superfície de igual intensidade, convergentes para o centro de baixa pressão, que, influenciados pelos desvios da rotação da terra, geram movimentos rotacionais, conhecidos como furacões, tão comuns na região do equador.
Como Podemos Captar a Energia dos Ventos?
Podemos captar a energia eólica de diversas maneiras:
Velas: Usadas só desportivamente.
Cata-ventos - Tipo:
Turbinas: Grandes turbinas acopladas a geradores.
Sistema fixo:Baseado no princípio Magneto-aerodinâmico.
Para qualquer projeto envolvendo captação de energia eólica, tornam-se necessários conhecimentos completos do comportamento do vento no local escolhido para o empreendimento, pois os ventos variam de intensidade e direção a cada instante, sendo necessário levantar dados de média durante o dia, média durante a noite, variações do dia, variações da noite, formando gráficos semanais, quinzenais, mensais, etc.
De modo geral, os aeromotores (cata-ventos), mesmo os de pequeno porte, devem ser usados dentro dos limites de velocidade permitido para cada tipo, para obtenção da maior eficiência.
Conhecendo-se os limites das curvas de eficiência de cada tipo e as estatísticas das velocidades, podemos calcular os coeficientes de utilização, pelo gráfico abaixo, que por sua vez, permitem determinar a energia recuperável de um local selecionado, usando as curvas e as estatísticas
O coeficiente de utilização Ku, em relação à velocidade média é dado pela seguinte equação:
Ku = Vn3 (t2 - t1) + (integral de t2 a t3) . v3 dt / V3
sendo:
v - velocidade instantânea
V - velocidade média em m/s
Vn - velocidade nominal da máquina rpm
t1 - em dias no qual o vento é > V
t2 - em dias no qual o vento é > Vn
t3 - em dias com velocidade de vento suficiente para gerar energia conforme
projeto
Os aeromotores classificam-se quanto a posição do eixo e a velocidade:
Os de eixos verticais que independem da direção do vento
Os de eixos na horizontal que devem ser providos de leme direcional para aproar sempre o vento
A velocidade e a direção dos ventos, medem-se com instrumentos chamados anemômetros.
A energia cinética de uma massa de ar em movimento é dada pela equação:
Ec = 1/2 m v2
donde:
m = massa do volume de
ar em kg/m3
v = velocidade do vento em m/s
sendo S a área da superfície apresentada ao vento:
A quantidade de energia cinética teórica Q = 1/2 . 1,25m . S . V3
Potência recuperável em W = joules/s = 0,625 . S . V3
Betz fez experiências chegando a um limite:
Potência recuperável Pr = 16/17 .1/2 . 1,25 S V3
donde Pr = 0,37 S V3 sendo S = pi D2/4
O Limite de Betz, fica Pr = 0,29 D2 V3 que é a potência máxima de uma Máquina Eólica, considerando o rendimento em relação ao limite de Betz, de acordo com o rendimento de cada tipo abaixo:
Rendimento ideal 100 %
Rendimento de hélice de 2 pás max.75 %
Rendimento de hélice multipás max.50 %
Rendimento de Rotor Darrieus max.60 %
Rendimento do tipo Savonius max.25 %
Rendimento do tipo Moinho Holandez >25 %
A potencia em Watts, tambem leva em consideração o diametro versus velociade em m/s
Como a potência recuperável depende da área oferecida e velocidade do vento, vejamos como se comportam as superfícies que são expostas ao vento, lembrando que a reação é sempre proporcional a área e ao quadrado da velocidade, temos que:
A potencia em Watts, tambem leva em consideração o diametro versus velocidade em m/s
Outros elementos de um sistema aerogerador também interferem no rendimento, como alternadores, redutores, baterias, hélice, etc., o rendimento final máximo já alcançado é de 50% do Limite de Betz, para cada tipo.
Outro ponto importante é a orientação de todo o conjunto, em função da direção do vento, que deve ser controlado por sensores, orientado por servo-motores e sujeito a limite de diâmetro e velocidade, conforme abaixo, pelo fato de, com a mudança da direção do vento, o triângulo de velocidade também pode mudar e por consequencia o rendimento.
Desse modo para uma mesma velocidade de vento, poderemos ter potências diferentes, em função dos diâmetros. Tomando-se por base o trabalho de Kranert, pode-se verificar junto a Estação Meteorológica local, os dados que são anotados de hora em hora, sobre o vento, ou de 6 em horas, nos aeroportos, para preenchimento das cartas sinópticas, podemos dimensionar um aerogerador, para experiências, com materiais disponíveis no mercado, isto é: baterias, geradores de automóveis, hélice de alumínio, relay, etc.
Estudo para dimensionar um aerogerador eólico, para uma praia da zona sul de Pernambuco, para alimentar bateria, usando um gerador de Corcel, que gera 30 A em 12v a 3000 rpm.
Dados disponíveis
Tensão...................12v
DC
Consumo P1...............5 A por 3 horas
Consumo P2...............1 A por10 horas
Dias sem vento...........5 dias
Dias com ventos >10 kt...15 dias
Vento de 10 kt (nós).....5,5 m/s
Dias com vento médio.....10 dias a 5,5 m/s
Rotação máxima...........1.000 rpm
Pede-se
Diâmetro da Hélice.....................?
Potência de consumo....................?
Capacidade das Baterias................?
Seqüência de cálculos:
Taxa de trabalho: Tb = (10x1+3x5)/24h = 1,042
Consumo equivalente: P = 12v(5+1).1,042 = 75 W/h
Para 5 dias sem vento:
P = 5( 3x75 ) = 1.125
w
P = 5 (7x12x1,042) = 438 w
P1......Soma.......= 1.563 w
Capacidade da bateria: B = 1563/12 = 130 amp
Reposição em 15 dias: P2 = 1.563/360 = 4,34 w/h
Potência do gerador: P3 = 75 + 4,34 = 79,34 w/h
O cientista Betz pesquisou e achou que a potência máxima, nas condições de laboratório, que se poderia obter de um sistema Gerador Eólico, é dado por:
Pmax = 0,5 x 0,29 D2 V3 (Limite de Betz) = 0,145 D2 V3
e que na prática, só se consegue 50% do Limite de Betz, fica:
P = 0,5 x 0,29 D2 V3 = 0,145 D2 V3
logo D2 = P3/0,145 V3 = 79,34/0,145 x 5a3 = 3,29
donde: Diâmetro da hélice D = 1,81 m
Como para 2 pás a eficiência de modelos testados pela NASA chega a 75%, com área equivalente a 0,83 à velocidade máxima, verificando se temos vento suficiente, fica:
V3 = P3/0,2175 D2 = 79,34/0,2175 x 1,81a2 = 111,35
donde: Velocidade minima V = 4,82 m/s <5,5 m/s
Das tabelas e gráficos de Kranert, temos para D = 2 m ---> rpm max = 1.000, a potência será:
O gerador disponível é para 30 amperes e 12v a 3.000 rpm:
Pw = 30 A x 12v = 360 W a 3.000 rpm
logo para 1.000 rpm -----> Pw = 360/3 = 120 w/h
Respostas
Potência do gerador será
120 w/h > P3
Diâmetro da hélice será 1,81 m
Consumo será 79,34 w/h
Capacidade da bateria será 130 amperes/h
Podemos considerar o aerogerador em movimento como uma superfície plana, perpendicular ao vento, cuja área é dada por 0,7854 D2, assim a pressão sobre a hélice, fica:
Pmax = 0,83 V2 N/m2 = 0,83 . 5,52 . 0,7854 . 1,81a2 = 64,6 N
Pmax = 64,6 N
que multiplicado pela altura da torre, dá o esforço na base do sistema de sustentação com o vento na velocidade máxima, sendo fundamental manter a freqüência do sistema, longe da rotação da hélice.
Estas turbinas são parte da "farm" localizada perto do Lago Benton, Minnesota. Estas turbinas são projetadas para gerar eletricidade a partir da força do vento com a maior eficiência possível. Esta região é uma das mais produtivas em energia eólica do centroOeste do EUA.
Fonte: www.encarta.com
Atualmente, grandes turbinas são instaladas em grandes áreas, formando "farms" para geração de grandes quantidades de energia, depois que alguns problemas foram resolvidos:
Controle indireto da inclinação do eixo horizontal por meio de um sistema cíclico da inclinação do eixo, criado por cientistas da Universidade de Saint Louis - Missouri - USA, baseado no princípio do helicóptero, para eliminar excesso de carga e vibração nas tempestades.
Turbinas melhoradas com convergedor afunilado guiando o vento para as pás, para aumentar a produção de energia, segundo o autor Ken Foreman, da Gruman Aero nautic, fabricante de helicópteros.
Turbinas eólico-solar, aproveitando o calor dos raios solares, para formar uma estufa forçando os gases quentes a subirem por uma chaminé de grande altura, com veloci dade de 70 km/h, acionando uma turbina de 10 m de diâmetro, numa área de 250 m de diâmetro, instalada em Manzanares - Espanha, gerando 100 Kw, conforme dados abaixo:
Altura da chaminé.............................................300
m
Turbina de vento a............................................9 m
Casa de maquina abaixo da turbina.............8 m
Canal de alimentação ....................................formado pelo teto
a 2,5 m
Suporte da chaminé .......................................em estrutura de
aço.
Sistema de regulagem de alimentação.......d=30 m
Regulagem da alimentação.......................... por palhetas regulaveis
Teto solar em plástico transparente............. d= 300 m
Piso pintado de preto fosco
Na Dinamarca, na Península de Hurup Thy, situada no noroeste daquele país, com 25 mil habitantes, 40 % da energia elétrica em 1992, já era fornecida por turbinas aerogeradoras, 3 % de toda energia consumida no país é gerada eolicamente e para o não 2000 está previsto 10 %.
No Brasil, o primeiro gerador eólico para 75 kw, foi instalado em 1992 na Ilha de Fernando de Noronha, resultado de um Convênio celebrado entre o Folkecenter da Dinamarca, com a Celpe e UFPE. A torre tem 23 m de altura e a hélice tripás, tem 17 m de diâmetro.
Existem registros num trabalho publicado pelo cientista Guilherme Kranert divulgado na Revista Energia, que no século passado, já eram construídos grandes aerogeradores:
|
Dados
|
Dm
|
No
Pás
|
Kw
|
|
1890
Dinamarca
|
23
|
3
|
200
|
|
1931
Rússia
|
30
|
3
|
100
|
|
1941
U.S.A
|
54
|
2
|
1200
|
|
1959
Alemanha
|
34
|
2
|
100
|
|
1978
N A S A
|
50
|
2
|
200
|
|
1979
BOEING
|
100
|
2
|
(*)
|
|
1981
Alemanha
|
100
|
2
|
3000
|
(*) Não revelado.
Um gerador eólico sem peças moveis, baseado no processo magneto-hidro-dinâmico, ou seja um fluido ou gás cortando as linhas de um campo magnético, produz eletricidade.
Na Universidade de Dayton - USA, os cientistas aperfeiçoaram um Gerador Eólico por Dinâmica da Eletro-Fluidês, que carrega eletricamente gotículas d'água, mediante um eletrodo de atração.
O vento ao forçar a passagem das gotículas, através do eletrodo coletor, cria um fluxo de corrente, carregando o eletrodo, pois o sistema está energisado com 68 kv a 250 miliamperes e em laboratório, um modelo reduzido de 45 x 45 cm, gerou 16,3 watts, com vento de 40 km horário.
Núcleo de Apoio a Projetos de Energias
Renováveis - NAPER-UFPE
Fontes
Alternativas de Energia
Vento
Solar - Energia Alternativa
Vento
Solar - Energia Alternativa
INTERNACIONAIS
Atualizado em 23-Nov-2000.
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