Turbinas eólicas, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE JARAGUÁ DO SUL – UNERJ CENTRO DE TECNOLOGIA E ARTES CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

TURBINAS EÓLICAS

ANGELO ANTONIO DE OLIVEIRA

JARAGUÁ DO SUL

OUTUBRO DE 2010

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE JARAGUÁ DO SUL – UNERJ CENTRO DE TECNOLOGIA E ARTES CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

TURBINAS EÓLICAS

Trabalho apresentado na disciplina de Máquinas de fluxo no Curso de Engenharia Mecânica.

ANGELO ANTONIO DE OLIVEIRA

Professor:, Eng.

JARAGUÁ DO SUL

OUTUBRO DE 2010

RESUMO

Este trabalho visa informar em detalhes as características dos equipamentos destinados à captura da energia proveniente dos ventos e à sua transformação em energia mecânica, normalmente na forma de rotação de eixo. Estes equipamentos são conhecidos como Aerogeradores ou Turbinas Eólicas e são, atualmente, uma promessa de energia renovável limpa, segura e de baixo custo. As turbinas eólicas atuais utilizam modernos conceitos de aerodinâmica e o que há de mais recente em inovação tecnológica, de modo a torná-las cada vez mais eficientes.

Palavras Chave: Turbinas; Turbinas Eólicas; Aerogeradores; Energia Eólica.

LISTA DE FIGURAS

2. INTRODUÇÃO

Utilizar os ventos como forma de prover potência para a realização de tarefas diversas não é algo novo. Foi uma das primeiras fontes de energia natural utilizada, sendo que o principal dispositivo utilizado no passado, além da vela, foi o moinho de vento. Moinhos de vento de eixo vertical, que giravam lentamente, eram utilizados para bombear água de poços e para girar rodas de pedras que moíam grãos, daí o nome “moinho de vento”. Existem indícios da existência desses moinhos na China e na Babilônia por volta de 2000 a.C. O primeiro uso documentado oficialmente da energia do vento é também creditado aos Persas. Um moinho de eixo vertical (figura 1.1) utilizando o conceito das velas de embarcações era feito de junco e madeira. Também há relatos oficiais de uso de moinhos de vento de eixo vertical na China, no ano de 1219.

Figura 1. Primeiro Modelo de Turbina Eólica Registrado Fonte: http://www.telosnet.com

Turbinas eólicas só foram utilizadas para geração de energia elétrica pela primeira vez em 1888 (figura 1.3) e a primeira turbina comercial instalada na rede elétrica pública foi em 1976, na Dinamarca. Atualmente existem próximo de 40 mil turbinas eólicas em operação no mundo.

2.1.. PIONEIROS DA ENERGIA EÓLICA

2.1...1... (^) Charles F. Brush (1849-1929)

Figura .2 Charles F. Brush Fonte: http://www.lafavre.us.

Um dos fundadores da indústria elétrica norte-americana. No Inverno de 1887-88, Brush construiu, em Cleveland^1 , uma máquina automatizada para produção de eletricidade. Devido aos

(^1) Ohio, Estados Unidos.

recursos da época, as dimensões eram enormes. O diâmetro do rotor era 17 m, 144 pás de rotor feitas de madeira de cedro, que apesar dessas dimensões, gerava apenas 12 kW. A turbina funcionou durante 20 anos e alimentava no porão da casa de Brush. Foi o primeiro equipamento do tipo a utilizar caixa de redução (com relação de transmissão de 50:1) que fazia um gerador de corrente contínua girar a 500 rpm

Figura .3 A turbina eólica de Brush. Primeira turbina usada para geração de energia elétrica. Fonte: http://www.telosnet.com

2.1...2... Poul la Cour (1846-1908)

Figura .4 Poul La Cour Fonte: www.windsofchange.dk

Esse meteorologista Dinamarquês foi considerado o pai da indústria eólica moderna e serviu de referência para muitos estudiosos e foi um dos responsáveis pelo grande avanço da indústria eólica dinamarquesa. A sua primeira turbina eólica comercializável foi instalada após a Primeira Guerra Mundial, durante um período de escassez generalizada de combustível, e foi a primeira turbina a utilizar conceitos definidos de aerodinâmica. Fundou o primeiro centro de investigação de energia eólica em Jütland^2 , onde ministrou os primeiros cursos a engenheiros eólicos. Juntamente com as suas primeiras experiências na técnica dos túneis de vento publicou a primeira revista mundial sobre energia eólica.

Figura .5 Turbina eólica de Poul La Cour Fonte: http://www.hawkge.com

2.1...3... Albert Betz (1885-1968)

(^2) Região central da Dinamarca.

Figura .7 Turbinas desenvolvidas por Johannes Juul Fonte: http://guidedtour.windpower.org

2.2.. ENERGIA EÓLICA NO CENÁRIO MUNDIAL

O grande responsável pelo crescimento da energia eólica no cenário mundial é a Dinamarca, que investiu mais, nestes últimos anos, do que qualquer outro país europeu. A Dinamarca possui alguns fabricantes que chegaram a suprir mais de 60% da demanda mundial de turbinas eólicas e teve como maiores clientes, a Alemanha, a Espanha e a Inglaterra.

Figura .8 Gráfico do Crescimento do uso mundial de energia eólica. Fonte: Global Wind Energy Council.

Apesar da significativa contribuição da Dinamarca e de alguns outros países europeus para disseminar o uso das turbinas eólicas, o maior produtor de energia elétrica de origem eólica atualmente não é europeu. Devido a uma crise energética e crise de petróleo, ocorridas na década de 70, os Estados Unidos, com grande participação da NASA^6 , investiram fortemente em desenvolvimento e implantação de fontes de energias alternativas. Atualmente o país ocupa o primeiro lugar na produção de energia, seguido de perto pela Alemanha.

Tabela 1.1 Quantidade de potência produzida por país. País Potência Instalada (MW) % da produção mundial Estados Unidos 25000 20. Alemanha 24000 19. Espanha 17000 13. China 12500 10. Índia 9500 8. Itália 4300 3. França 4000 2. Inglaterra 3700 2. Dinamarca 3000 2. Portugal 2600 2. Brasil 835.3 0. Fonte: Global Wind Energy Council.

(^6) National aeronautics and space administration.

Devido às diversas conferências relacionadas ao meio ambiente e ao aquecimento solar, a maioria dos países do primeiro mundo está concentrando esforços no aumento do uso da energia eólica, bem como no uso de outros tipos de energias renováveis. Os Estados Unidos têm como meta para 2020 que 6% da eletricidade sejam provenientes de geração eólica enquanto que a união européia tem 12% como meta para o mesmo ano.

2.3.. ENERGIA EÓLICA NO CENÁRIO BRASILEIRO

Diversos estudos e levantamentos, que já foram ou que vem sendo realizados, dão suporte a exploração da energia eólica no Brasil. Com base nesses estudos o país segue a tendência mundial de utilização cada vez maior da energia eólica, já que através deles pode-se comprovar que temos um dos maiores potenciais eólicos em todo o mundo. Esse potencial é comprovado pelo constante crescimento na quantidade de usinas eólicas em território 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 produção de energia.

Tabela 1.2 As 46 usinas eólicas brasileiras. Usina Potência (kW) Município Praia Formosa (^) 104.400 Camocim - CE Canoa Quebrada (^) 57.000 Aracati - CE Eólica Icaraizinho (^) 54.600 Amontada - CE Parque Eólico de Osório (^) 50.000 Osório - RS Parque Eólico Sangradouro (^) 50.000 Osório - RS Parque Eólico dos Índios (^) 50.000 Osório - RS Bons Ventos (^) 50.000 Aracati - CE RN 15 - Rio do Fogo (^) 49.300 Rio do Fogo - RN Volta do Rio (^) 42.000 Acaraú - CE Parque Eólico Enacel 31.500 Aracati - CE Eólica Praias de Parajuru (^) 28.804 Beberibe - CE Praia do Morgado (^) 28.800 Acaraú - CE Parque Eólico de Beberibe 25.600 Beberibe - CE Foz do Rio Choró (^) 25.200 Beberibe - CE Eólica Paracuru (^) 23.400 Paracuru - CE Pedra do Sal 18.000 Parnaíba - PI Taíba Albatroz (^) 16.500 São Gonçalo do Amarante - CE Eólica Canoa Quebrada (^) 10.500 Aracati - CE Millennium (^) 10.200 Mataraca - PB Eólica de Prainha (^) 10.000 Aquiraz - CE Eólica Água Doce (^) 9.000 Água Doce - SC Eólica de Taíba (^) 5.000 São Gonçalo do Amarante - CE

Óleo Residual

29 2.523.803 2, Biomassa (^) Bagaço de Cana

312 5.956.646 5 382 7.605.201 6, Licor Negro 14 1.240.798 1 Madeira 40 327.827 0, Biogás 9 48.522 0 Casca de Arroz

7 31.408 0 Nuclear (^2) 2.007.000 1,7 2 2.007.000 1, Carvão Mineral Carvão Mineral

9 1.594.054 1,3 9 1.594.054 1, Eólica (^46) 835.336 0,7 46 835.336 0, Importação Paraguai 5.650.000 5,5 8.170.000 6, Argentina 2.250.000 2, Venezuela 200.000 0, Uruguai 70.000 0, Total 2.290 119.101.207 100 2.290 119.101.207 100 Fonte: www.aneel.gov.br

3. TURBINAS EÓLICAS
4. TIPOS DE TURBINAS

Existem diversos tipos de turbinas eólicas atualmente, devido à variedade de modificações que podem ser feitas na construção das mesmas e também da possibilidade de serem instaladas na terra ou no mar e estar isolados ou agrupados em parques. As turbinas eólicas se dividem, usualmente, em dois tipos principais, que são: Turbinas axiais de eixo horizontal (TEEH) e turbinas axiais de eixo vertical (TEEV). Essa diferenciação é feita normalmente em função da aplicação.

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

1... Turbinas axiais de eixo horizontal

São as mais comuns, sendo aplicadas, normalmente, nos parques eólicos de produção de energia elétrica. Na maioria dos casos, a turbina é constituída por três pás, existindo também turbinas com uma ou duas pás. As turbinas de rotor de duas ou três pás apresentam uma relação

entre potência extraída e a área de atuação do rotor superior às turbinas de rotor múltiplas, além disso, seu rendimento é 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 relação à direção do vento, de modo a proporcionar um melhor aproveitamento dos ventos, principalmente em zonas onde a direção destes mude com freqüência. A potência de uma turbina eólica está diretamente relacionada com o diâmetro do rotor, sendo mais elevada quanto maior for este diâmetro. A figura 4.2 apresenta a evolução da potência das turbinas eólicas na Alemanha entre 1980 e 2005.

Figura 2.2 Evolução da potência das turbinas com relação ao seu tamanho ao longo dos anos Fonte: http://www.windpower.org

2... Turbinas axiais de eixo vertical

São as menos comuns, normalmente utilizadas em sistemas de bombeamento de água, onde o custo final, devido à simplicidade do sistema de transmissão e construção, pode compensar o seu baixo rendimento. Devido à baixa demanda, atualmente, poucas empresas fabricam turbinas eólicas de eixo vertical. Os principais tipos de turbinas de eixo vertical são 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 relação à velocidade bastante próxima da curva de rendimento das turbinas de eixo horizontal de múltiplas pás.

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

Como o nome indica, o eixo da TEEH é 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 padrão consiste de motores elétricos e caixas de engrenagens que movem todo o rotor para a esquerda ou direita em pequenos incrementos. O controlador eletrônico da turbina lê a posição da turbina (mecânico ou eletrônico) e ajusta a posição do rotor para capturar o máximo de energia eólica disponível. As TEEHs usam uma torre para elevar os componentes da turbina a uma altura ideal para a velocidade do vento (e para que as pás possam ficar longe do solo) e ocupam muito pouco espaço no solo, já que todos os componentes podem estar a até 80 metros de altura. Os principais componentes de uma TEEH e suas funções são:

• Pás do rotor: capturam a energia do vento e a convertem em energia rotacional no eixo;
• Eixo: transfere a energia rotacional para o gerador;
• Nacele: é a carcaça, similar às de turbinas de avião, que abriga a caixa de engrenagens, o gerador, a unidade de controle eletrônico, 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 para gerar eletricidade usando eletromagnetismo;
• Unidade de controle eletrônico (não 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 (não mostrado): move o rotor para alinhá-lo com a direção do vento;
• Freios: detêm a rotação do eixo em caso de sobrecarga de energia ou falha no sistema.
• Torre: sustenta o rotor e a nacele, além de erguer todo o conjunto a uma altura onde as pás possam girar com segurança e distantes do solo;
• Equipamentos elétricos: transmitem a eletricidade do gerador através da torre e controlam os diversos elementos de segurança da turbina.

2.. DIMENSIONAMENTO DE UMA TURBINA

2.4.. Dimensionamento preliminar

Podemos calcular a potência teórica gerada por uma turbina eólica com o objetivo de analisar a viabilidade da instalação da mesma, dadas as informações sobre as condições dos ventos. Esta análise é apenas teórica, já que não considera perdas durante o processo. Potência é igual ao trabalho (Energia) dividido pelo tempo: (2.1) O trabalho realizado pelo ar, neste caso, é igual a sua energia cinética, logo: (2.2) Substituído na equação (x), então: (2.3) Analisando a relação de massa da massa do ar com a variação do tempo: (2.4) Por fim obtemos a equação da potência teórica de uma turbina: (2.5) Onde W é o trabalho, Δt é a variação do tempo, Ec é a energia cinética, P é potência, ṁ é a vazão em massa, Q é a vazão em volume, ρ é a densidade do ar, V é a velocidade do ar e A é a área varrida pelas hélices do rotor. Recomenda-se utilizar um fator de multiplicação de 0. (η=50%) para o valor da potência, que é o rendimento considerado satisfatório para uma turbina eólica normal. Com base na equação (2.5) podemos determinar se as dimensões selecionadas são as mais recomendadas e o quando a variação da velocidade do ar influencia no cálculo da potência. Por exemplo, se um ar aumenta sua velocidade de 10 km/h para 11 km/h (aumento de 10% ) a potência se eleva em 33%. Outro exemplo é sobre a área varrida pelo rotor. Com um diâmetro de pás de 3 m e uma velocidade do ar de 32 km/h, obtemos uma potência de 3050 W. Se o diâmetro da hélice aumenta para 6 m sem alteração na velocidade do ar, a potência aumenta para 12200 W.

2.5.. Dimensionamento real

A análise de uma turbina eólica pode se feita com base em uma hélice operando reversamente. Então, aplica-se o modelo idealizado de Rankine 8 ao escoamento unidimensional através da turbina.

Figura 2.5 Volume de controle para uma turbina eólica de horizontal (^8) William John Macquorn Rankine, engenheiro e físico escocês.

passaria a ser zero. “A Enercon 9 , da Alemanha, projetou uma pá de rotor para turbina eólica que atingiu uma eficiência de 56%, aproximando-se do limite teórico de Betz, de 59,3%.” (HINRICHS, 2010, p.463) Deve-se ressaltar que a eficiência de 59,3% é um limite teórico. Isso porque, o modelo de Rankine, inclui certas hipóteses 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 pressão são desprezados bem como a energia cinética de redemoinho atrás da turbina.

3.. ANÁLISE CRÍTICA DA UTILIZAÇÃO DE TURBINAS EÓLICAS

Quando se deseja utilizar turbinas eólicas, devem ser analisados diversos fatores que influenciam diretamente na viabilidade do uso, principalmente quando se trata de um número grande de turbinas a serem instaladas em um mesmo local. O local escolhido para a instalação das turbinas deve ser cuidadosamente vistoriado a fim de avaliar a disponibilidade e a freqüência dos recursos eólicos. Essa vistoria normalmente é feita através de coleta de dados meteorológicos e medições que podem durar vários meses. Existe a necessidade de uma avaliação ambiental, verificando as condições do solo e analisando se o local não faz parte da rota de aves migratórias e até mesmo se não é reduto de animais ou aves em extinção. Após o detalhamento preliminar do parque eólico, quando é definida a quantidade de material para a construção, podem ser calculados os custos da instalação das turbinas e também os custos de transporte, que podem tornar-se demasiadamente elevados, dependendo do acesso ao local de instalação. A necessidade de contratação de mão e obra terceirizada também deve ser incluída nos custos do projeto. As vantagens de uma turbina eólica são:

• É uma fonte de energia segura e renovável;
• Não polui o ambiente;
• Suas instalações são móveis, e quando retirada, pode-se refazer toda a área utilizada;
• Tempo rápido de construção (menos de 6 meses);
• Recurso autônomo e econômico;

(^9) Enercon GmbH. Maior empresa alemã de fabricação de turbinas eólicas.

• Poupança devido à menor aquisição de direitos de emissão de CO2 por cumprir o protocolo de Quioto e diretivas comunitárias e menores penalizações por não cumprir;
• Possível contribuição de cota de geração de energia elétrica para outros setores da actividade econômica;
• É uma das fontes mais baratas de energia podendo competir em termos de rentabilidade com as fontes de energia tradicionais.
• Os parque eólicos são compatíveis com outros usos e utilizações do terreno como a agricultura e a criação de gado;
• (^) Geração de investimento em zonas desfavorecidas;
• Benefícios financeiros para os proprietários do local de instalação.

Entre as desvantagens, citamos:

• Impacto visual: sua instalação gera uma grande modificação da paisagem;
• Influência sobre as aves e insetos do local; principalmente pelo choque delas nas pás;
• Impacto sonoro: o som do vento bate nas pás produzindo um ruído constante de aproximadamente 43 dB(A), devido a isso, as turbinas eólicas devem ser instaladas a uma distância mínima de 200m das residências do local.
• Baixo rendimento de potência quando comparadas, principalmente, às turbinas hidráulicas;
• Em alguns casos, podem causar interferências eletromagnéticas nas ondas de rádio e telecomunicação;

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS