quarta-feira, 28 de setembro de 2011

Energia Eólica - a força dos ventos

O QUE É ENERGIA EÓLICA E OS PRIMEIROS REGISTROS DE SUA UTILIZAÇÃO
A energia eólica é a energia cinética do deslocamentos de massas de ar, gerados pelas diferenças de temperatura   na superfície do planeta. Resultado da associação da radiação solar incidente no planeta com o movimento de rotação da terra,   fenômenos naturais que se repetem. Por isso é considerada energia renovável.

Tudo indica que as primeiras utilizações de energia eólica deram-se com as embarcações, algumas publicações mencionam vestígios de sua existência já por volta de 4.000 a.C., recentemente testemunhado por um barco encontrado num túmulo sumeriano da época, no qual havia também remos auxiliares.
Por volta de 1.000 a.C. os fenícios, pioneiros na navegação comercial, se utilizavam de barcos movidos exclusivamente a força dos ventos. Ao longo dos anos vários tipos de embarcações a vela foram desenvolvidos, com grande destaque para as Caravelas - surgidas na Europa no século XIII e que tiveram papel destacado nas Grandes Descobertas Marítimas.
As embarcações a vela dominaram os mares durante séculos, até que o surgimento do navio a vapor, em 1807 veio dividir este domínio, mas pelo fato de exigir menores despesas em contrapartida a menor regularidade oferecida no tempo dos trajetos, o veleiro conseguiu manter o páreo por um bom tempo, só vindo a perder a concorrência no início do século XX, quando foi praticamente abandonado em favor do vapor. Atualmente os maiores usos das embarcações a vela são no esporte e lazer.

 O CARRO A VELA DE NASSAU 

Zeylwagen - Carro a vela do almirante Nassau - Imagem do Portal da Leiden University
 
Na edição especial da revista Motor 3 - "100 Anos do Automóvel" -, é mencionado que no ano de 1600, o Almirante holandês Maurício de Nassau - Tio do administrador, homônimo, do território brasileiro dominado pela Holanda de 1.636 a 1644 -, durante a luta da independência da Holanda contra a Espanha, idealizou uma canhoeira terrestre dotada de rodas, sendo as traseiras providas de mecanismo esterçante controlado por tirante, o veículo seria impulsionado por velas idênticas as das embarcações marítmimas. A construção ficou a cargo do seu engenheiro Symon Stevin, tendo a mesma sido construído com madeira e lona, conseguindo a façanha de, com vinte e oito homens a bordo e favorecida pelos ventos fortes e constantes da costa holandesa, cobrir os 80 Km que separam Le Havre de Petten, em exatamente duas horas, surpreendendo os espanhóis num ataque surpresa.
Este veículo batizado por seu construtor de "zeylwagen", ou carro a vela, aparece como o primeiro a não depender da propulsão muscular.
Nos anos 70/80 surgiram, inicialmente no Estados Unidos, pequenos veículos de lazer com três rodas e propulsão similar ao carro de Nassau, que logo se tornaram muito comuns, tendo se popularizado também nas principais praias brasileiras, eram os chamados windcar.


O SURGIMENTO DOS MOINHOS DE VENTO
Parece ser difícil afirmar com segurança a época em que surgiram os primeiros moinhos de vento, há indicações sobre tais motores primários já no século X. Este assunto é bem dessertado no livro " Uma História das Invenções Mecânicas" de Abbot Payson Usher, editado pela primeira vez em 1929 e reproduzido no Brasil pela editora Papirus Ciência, o livro cita relato de geógrafos descrevendo moinhos de ventos usados no Oriente Médio para bombeamento d´agua. O mesmo aponta ainda referências diversas como historias e crônicas - mas, neste caso, considerando sua veracidade incerta - que mencionam o uso dos moinhos de vento já em 340 d.C.
Ainda conforme a citada publicação, até a sua introdução na Europa por volta do século XII, os moinhos de vento eram projetados em função da direção predominante dos ventos, tendo o seu eixo motor direção fixa. As características de variação de intensidade e direção dos ventos na Europa incentivaram a criação de mecanismos para mudança de direção do eixo dos cataventos, surgindo então os primeiros modelos onde o eixo das pás podia ser girado em relação ao poste de sustentação.
Na Holanda, onde os moinhos de vento eram usados desde o século XV para drenarem as terras na formação dos pôlderes, a invenção dos moinhos de cúpula giratória, que permitia posicionar o eixo das pás em função da direção dos ventos, é registrada como um grande incremento de capacidade destes, e grande progresso nos sistemas de dessecamento.

OS PRIMEIROS SISTEMAS DE CONTROLE DE POTÊNCIA
A Revolução Industrial trouxe consigo as invenções das máquinas de produção, como os teares industriais, tais máquinas assim como os moinhos de farinha, exigiam uma certa constância da velocidade, evidenciando uma das desvantagens da energia eólica em relação a força animal e a roda d´agua, que é o fato de sua ocorrência ser irregular e de intensidade variável. Para contornar a variação de intensidade surgiram, ainda no século XVI, os primeiros sistemas de controle ou limitação de potência, sendo mencionados o freio aplicado ao eixo das pás - existindo inclusive esquemas de Leonardo da Vinci de um freio de cintas aplicado a roda acionadora - e a inclinação do eixo das pás em relação ao horizonte. Tais aperfeiçoamentos permitiram integrar os moinhos de vento também a estas unidades produtivas, e até o século XVIII - século do surgimento da máquina a vapor - os moinhos de vento, juntamente com as rodas d´agua, marcavam muitas paisagens.


PRINCIPAIS TIPOS DE TURBINAS EÓLICAS NA ATUALIDADE
Os aerogeradores e aeromotores, costumam ser classificadas pela posição do eixo do seu rotor que pode ser vertical ou horizontal, a seguir mencionaremos os principais modelos relativos aos tipos de classificação mencionados.

EIXO HORIZONTAL

Está disposição necessita de mecanismo que permita o posicionamento do eixo do rotor em relação a direção do vento, para um melhor aproveitamento global, principalmente onde se tenha muita mudança na direção dos ventos. Encontra-se ainda moinhos de vento seculares com direcionamento do eixo das pás fixo, mas situam-se onde os ventos predominantes são bastante representativos, e foram instalados em épocas em que os citados mecanismos de direcionamento ainda não haviam sido concebidos.

Os principais modelos diferem quanto as características que definem o uso mais indicado, sendo eles:
  • Rotor multipás - atualmente representa a maioria das instalações eólicas, tendo sua maior aplicação no bombeamento d´agua. Suas características tornam seu uso mais próprio para aeromotores, pois dispõe de uma boa relação torque de partida / área de varredura do rotor, mesmo para ventos fracos, em contrapartida seu melhor rendimento encontra-se nas baixas velocidades, limitando a potência máxima extraida por área do rotor, que não é das melhores, tornando este tipo pouco indicado para geração de energia elétrica. O fato de alguns autores de livros, escritos em outras décadas, contrariamente a percepção atual, apontarem-no como sendo a melhor opção devido a sua característica de menor variação de velocidade do rotor em função da velocidade do vento, devia-se as limitações de controle da curva de tensão de saída dos sistemas de geração de energia disponíveis naquelas épocas, o que restringia o aproveitamento da energia gerada, a uma faixa estreita de velocidade do rotor. Com o desenvolvimento da eletrônica este panorama mudou, pois os sistemas atuais podem ser facilmente projetados para uma faixa de velocidade bastante ampla e com um rendimento bastante satisfatório, passando o fator determinante a ser a potência obtida pelo rotor em relação a área de varredura, onde os modelos de duas e três pás se destacam com um rendimento muito superior.
  • Rotor de três ou duas pás - é praticamente o padrão de rotores utilizados nos aerogeradores modernos, isto deve-se ao fato da grande relação de potência extraída por área de varredura do rotor, muito superior ao rotor multipás (embora isto só ocorra em velocidades de vento superiores), pois além do seu rendimento máximo ser o melhor entre todos os tipos, situa-se em velocidades mais altas. Entretanto, apresenta baixos valores de torque de partida, e de rendimento para velocidade baixas, características que apesar de aceitáveis em sistemas de geração de eletricidade, imcompatibilizam seu uso em sistemas que requeiram altos momentos de força e ou carga variável.


EIXO VERTICAL

A principal vantagem das turbinas de eixo vertical é não necessitar de mecanismo de direcionamento, sendo bastante evidenciada nos aeromotores por simplificar bastante os mecanismos de trasmissão de potência.
Como desvantagens apresentam o fato de suas pás, devido ao movimento de rotação, terem constantemente alterados os angulos de ataque e de deslocamento em relação a direção dos ventos, gerando forças resultantes alternadas, o que além de limitar o seu rendimento, causa vibrações acentuadas em toda sua estrutura.

  • Rotor Savonius - Apresenta sua curva de rendimento em relação a velocidade próxima a do rotor de multipás de eixo horizontal, mas numa faixa mais estreita, e menor amplitude, seu uso, como o daquele, é mais indicado para aeromotores, principalmente para pequenos sistemas de bombeamento d´agua, onde o custo final devido a simplicidade do sistema de transmissão e construção do rotor propriamente dito, podem compensar seu menor rendimento.
  • Rotor Darrieus - Por ter curva de rendimento característica próxima a dos rotores de três pás de eixo vertical, são mais compatíveis com o uso em aerogeradores, mas como nestes os sistemas de transmissão já são bastante simples, seja qual for o tipo de disposição do eixo do rotor, o Darrieus perde uma das vantagens comparativas. Além disto a necessidade de sistema de direcionamento para o outro tipo de rotor, é compensada pela facilidade de implementação de sistemas aerodinâmicos de limitação e controle de potência, que amplia a faixa de utilização em relação a velocidade dos ventos e deixa-o muito menos suceptível a danos provocados por ventos muito fortes. Desta forma o Darrieus parece ficar em plena desvantagem em relação ao rotor de eixo horizontal, sendo seu uso pouco notado.
OS AEROGERADORES
Com o surgimento da máquina a vapor, dos motores de combustão interna e das grandes usinas de eletricidade e rede de distribuição, os sistemas eólicos foram relegados a um segundo plano por um bom tempo, permanecendo em algumas aplicações, como o bombeamento d´agua em áreas rurais e salinas, além de outras mais raras.

Durante a crise do petróleo, na década de 70, a energia eólica voltou a ser bastante cogitada, e os avanços da aerodinâmica e surgimento da eletrônica, permitiu o aparecimento de aerogeradores muito eficientes e com o custo por KW, quando utilizado em sistemas de grande porte interligados a rede de distribuíção, comparável com o das hidroelétricas, com isto desde a década de 80, tem sido cada vez mais comuns a instalação de parques eólicos em vários países principalmente da Europa e nos Estados Unidos, atualmente podem ser encontrados em nivel comercial aerogeradores com potências nominais de até 1,5MW.

Os aerogeradores pequenos para sistemas autônomos de carregamento de baterias, também evoluiram bastante incorporando novas tecnologias, tendo com isto ampliando muito sua faixa de utilização, existe atualmente varias opções na faixa de 50 a 600W nominais

No Brasil o primeiro aerogerador de grande porte foi instalado no arquipélago de Fernando de Noronha, em 1992, tratando-se de uma turbina de 75KW, com rotor tripá de 17 metros de diametro, tendo o mesmo sido integrado ao sistema de fornecimento de energia, formando um sistema híbrido com o gerador diesel já existente na ilha, patrocinando uma economia de aproximadamente 10% no consumo de diesel, alem da redução de emissão de poluentes

O Atlas Eólico da Região Nordeste (CBEE & ANEEL - 1998), demonstra o grande potencial que o Brasil tem a explorar, dispondo ao longo da costa grandes áreas de ventos bastante regulares e de boa velocidade. Em 1998 foi inaugarada em Sorocaba-SP, a Wobben Windpower, subsidiária da ENERCON, passando a produzir no país aerogeradores com potência de 600 KW.

Com a instalação, em janeiro de 1999, do parque eólico de Palmas no Paraná - primeiro parque eólico da região Sul - o incremento de seus 2,5MW, promoveu a elevação da potência instalada no país, que já ultrapassa os 20MW. Atualmente os maiores parques instalados são os do Ceará, representados pelo de Taíba com 5MW e o de Prainha com 10 MW. Em Minas Gerais encontra-se o de Gouvêia com 1MW.

CONFIGURAÇÃO DE FORNECIMENTO, E SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO

Apesar de ser uma fonte relativamente barata a energia eólica apresenta algumas características que dificultam seu uso como fonte regular de energia, além de sua ocorrência ser irregular para pequenos períodos, a quantidade de energia diária disponível, pode variar em muitas vezes de uma estação do ano para outra, em um mesmo local.
O fato da potência disponível variar com o cubo da velocidade do vento, dificulta muito a questão do dimensionamento e a escolha do local para instalação, limitando seu uso apenas em regiões de ventos fortes e relativamente constantes.
Atualmente os sistemas mais comuns de fornecimento de energia utilizando sistemas eólicos são:
  • Sistemas eólicos de grande porte interligados a rede pública de distribuição - por dispensarem sistemas de armazenamento são bastante viáveis representando atualmente a maior evolução em sistemas eólicos, já apresenta custos paritários ao das hidrelétricas. Nesta configuração os sistemas eólicos podem ter uma participação na ordem de 15% do fornecimento total de energia, envolvendo a definição deste percentual estudos específicos de vários fatores que garantam fornecimento regular e a qualidade de energia do sistema interligado como um todo.  
  • Sistemas híbridos diesel-eólico de médio porte - nestes os geradores eólicos podem representar fator de economia de combustível com custos bem atraentes para locais onde não dispõe da rede de distrubuíção interligada e dependam de geradores a diesel para fornecimento de energia elétrica, como o motor diesel garante a regularidade e estabilidade no fornecimento de energia, dispensando sistemas de armazenamento, e o transporte do diesel representa um custo adicional, a implementação de aerogeradores é neste caso bastante compensador e recomendado.  
  • Sistemas eólicos autônomos / armazenamento - sistemas de energia eólica outônomos para fornecimento regular de eletricidade, tornam-se bastante dispendiosos devido as complicações dos sistemas de armazenamento, que devem compensar não só as variações instantâneas e diarias, mas também compensar a variação da disponibilidade nos períodos do ano, Sendo sua aplicação limitada a pequenos sistemas para recarga de baterias, em regiões remotas, principalmente para fornecimento de eletricidade para equipamentos de comunicação e eletrodomésticos, onde o benefício e conforto compensam o alto custo por watt obtido.
Outros usos diversos a geração de eletricidade, como aeromotores para bombeamento d´agua são mais compatíveis com o uso singular da energia eólica. Talvez o desenvolvimento de tecnologias de obtenção, aplicação e estocagem do hidrogênio, venham a representar uma nova opção para um sistema de armazenamento compatível com a energia eólica, possibilitando sistemas eólicos ou eólicos-solares autônomos economicamente viáveis.




REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1) RELATÓRIO DE PESQUISAS ENCYCLOPAEDIA BRITANNICA NR. 242 "EMBARCAÇÕES A VELA"
2) UMA HISTÓRIA DAS INVENÇÕES MECÂNICAS - ABBOT PAYSON USHER - PAPIRUS EDITORA - 1993
3) ENERGIA SOLAR E FONTES ALTERNATIVAS - WOLFGANG PALZ - HEMUS 1981
4) LA ESCUELA DEL TÉCNICO MECÂNICO, VOL III - CALDEIRAS / MÁQUINAS A VAPOR - EDITORA LABOR S.A. - 1959
5) A INVENÇÃO DA MÁQUINA A VAPOR - FAUUSP - 1976
6) ENCICLOPÉDIA BARSA VOL XI
7) FONTES NÃO CONVENCIONAIS DE ENERGIA - AS TECNOLOGIAS SOLAR, EÓLICA E DE BIOMASSA - UFSC - 1999
8) PÁGINA DO CBEE NA INTERNET

GALERIA DE FOTOS

Turbina Savonius de eixo vertical (  página do NERG )

Turbina Darrieus de eixo vertical( Fonte página do NERG )

Turbina Darrieus de eixo vertical e pá reta ( Fonte página do NERG )

Turbina de eixo horizontal tripá com gerador de 75kW (  página do CBEE )




Catavento multipá com bomba d´agua(Fonte Yvel)

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