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IS BN 9 78 -8 5- 60 85 6- 08 -8 Série Energias Renováveis Série Energias Renováveis EÓLICA Série Energias Renováveis Série Energias Renováveis EÓLICA Carlos Adriano Rosa Geraldo Lúcio Tiago Filho Itajubá, 2007. 1º Edição Organizado por Geraldo Lúcio Tiago Filho Edição Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas Presidente: Ivonice Aires Campos Secretário Executivo: Geraldo Lúcio Tiago Filho Projeto Gráfico Orange Design Editoração e Arte-Final Adriano Silva Bastos CERPCH - Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas Avenida BPS, 1303 - Bairro Pinheirinho CEP: 37500-903 - Itajubá - MG - Brasil Tel: (+55 35) 3629-1443 Fax: (+55 35) 3629 1265 Obra publicada com o apoio do Ministério de Minas e Energia e da Fundação de Apoio ao Ensino Pesquisa e Extensão de Itajubá Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Mauá - Bibliotecária Margareth Ribeiro - CRB_6/1700 R710e Rosa, Carlos Adriano Eólica / Carlos Adriano Rosa e Geraldo Lúcio Tiago Filho ; organizado por Geraldo Lúcio Tiago Filho ; revisão de Ângelo Stano Júnior e Adriana Barbosa ; colaboração Camila Rocha Galhardo ; editoração e arte-final de Adriano Silva Bastos. -- Itajubá, MG : FAPEPE, 2007. 48p. : il. -- (Série Energias Renováveis) 1. Energia eólica. 2. Energias renováveis. I. Título. ISBN: 978 - 85 - 60858 - 01 - 9 ISBN: 978 - 85 - 60858 - 08 - 8 CDU 620.91 Revisão Ângelo Stano Júnior Organização Prof. Dr. Geraldo Lúcio Tiago Filho Colaboração Camila Rocha Galhardo Adriana Barbosa Sumário 1.0 – Introdução 2.0 – A energia eólica 3.0 – Os ventos 3.1 – A velocidade dos ventos 4.0 – Panorama da energia eólica 5.0 – A energia eólica no Brasil 5.1 – Projeto de aerogeradores no Brasil 5.2 – A energia eólica e o setor elétrico brasileiro 6.0 – Energia eólica e o meio ambiente 7.0 – Tecnologias de aproveitamento – turbinas eólicas 7.1 Turbinas eólicas – 7.2 Cataventos para bombeamento de água – 7.3 – Guia para instalação de um aerogerador 8.0 – Bibliografia 04 06 07 09 19 23 25 26 31 36 36 43 46 48 04 Capítulo 1Capítulo 1 Introdução 05 Desde o início dos tempos, o homem aprendeu a viver em comunidade, e para tornar esta convivência melhor e mais tranqüila, tem sempre aprimorado seus conhecimentos, buscando fa- cilitar suas atividades diárias. Com isso seu trabalho se torna mais fácil e a vida em grupo mais produtiva e agradável. Para realizar as tarefas de seu cotidiano, o homem, inevitavelmente, gasta uma determinada quantidade de energia em cada tipo de trabalho. Para gastar menos, ele descobriu que pode se beneficiar de outras fontes de energia que não a sua própria. Assim, ele se valeu de outras formas de energia e de suas mais diversas fontes: o fogo, a água, a tração animal, o vapor, o petróleo, etc. Mas afinal, o que é energia? Entende-se por energia a capacidade de realizar trabalho. A partir deste conceito, os múscu- los, o sol, o fogo, o vento, e tantas outras fontes de energia podem ser chamados de elementos pa- ra produzir e/ou multiplicar o trabalho. Energia é definida, também, como a capacidade da matéria em realizar mudanças no meio. Entende-se por “matéria” todo corpo que possui massa e ocupa lugar no espaço, como por exem- plo, a água, o vento, árvores, pedras, etc; e por “mudança” os fenômenos naturais ou artificiais que acontecem no meio, como: o movimento das ondas do mar, o aumento ou diminuição de vo- lume dos gases, a variação de temperatura dos corpos, existência de fases da água, etc. Por este motivo, a energia adquire várias formas: ? Mecânica – quando há, por exemplo, movimento de um automóvel; ? Gravitacional – pode ser percebida quando há uma força de atração entre matérias que pos- suem massa, como um satélite em volta do planeta terra; ?Química - quando está estocada, podendo ser usada para produzir calor por combustão, co- mo por exemplo:lenha, carvão, petróleo; ?Elétrica - devido ao movimento de elétrons que produzem luz ou calor; ?Muscular – quando é exercida por qualquer movimento do corpo humano, se referindo tam- bém aos animais utilizados para arar terras e transportar pessoas ou mercadorias; ?Potencial – é a energia existente em um corpo, ou seja, a que está armazenada nesse corpo, pronta para realizar movimento. Só é percebida se tiver um ponto de referência em relação ao corpo que está sendo estudado ou observado, como por exemplo: uma pedra parada e, em se- guida, jogada ou empurrada de uma certa altura; um balde com água sendo derrubado do alto de uma escada etc.; ?Cinética – é a energia existente num corpo em movimento, como por exemplo uma pedra ca- indo e batendo no chão; água de dentro de um balde caindo sobre alguma pessoa ou no solo; etc.; ?Atômica ou fusão nuclear – é originada no núcleo do átomo. É a mais recente forma de ener- gia a ser utilizada para aquecimento de água, produção de vapor e geração de energia elétrica. Atualmente, desenvolvem-se pesquisas para tornar possível o uso dessa forma de energia por ser uma fonte limpa e praticamente inesgotável; ?Luminosa ou radiante – é a energia proveniente dos raios solares. Dentre todos estes tipos, a primeira forma de energia que o homem utilizou foi o esforço mus- cular (humano e de animais domesticados), seguida da energia eólica (do vento) e da energia hi- dráulica (gerada pela força e movimento das águas). Com o passar do tempo, adquiriu-se conhecimento e técnica e criaram-se os mais variados ti- pos de tecnologia para realizar o trabalho que antes era puramente braçal. Assim, novos inven- tos e criações surgiram, mas sempre dependentes de algum tipo de energia para o seu funciona- mento. É sobre um destes tipos de energia de que trata o texto a seguir: a energia eólica. Anotações: O vento é um recurso natural renovável, gratuito, que não polui o ambiente e que se encon- tra disponível em todos os lugares. Um fato interessante é o de que a energia eólica provém da energia solar, uma vez que os ven- tos se formam em decorrência do aquecimento não uniforme da atmosfera que envolve o plane- ta terra, e que este aquecimento é causado pela radiação solar. Essa não uniformidade é causada principalmente pelo tipo de orientação dos raios solares e pela movimentação do planeta. Os ventos aliviam a temperatura atmosférica e as diferenças de pressão causada pelo aquecimento irregular da superfície da terra. Enquanto o sol aquece o ar, a terra e a água de um lado da terra, o outro lado é resfriado por radiação térmica enviada para o espaço. Assim, a rotação da terra cau- sa um ciclo de aquecimento e resfriamento em sua superfície. Como a formação estrutural da ter- ra é irregular, a resposta da superfície da terra ao aquecimento é variada. As partes com água se aquecem mais lentamente que as partes adjacentes recobertas com terra. As porções do globo terrestre que recebem os raios sola- res quase que perpendicularmente, o que ocorre na região dos trópicos, são mais aquecidas que as regiões polares. Co- mo conseqüência o ar quente que se encontra nas baixas alti- tudes das regiões tropicais tende a subir e é substituído por uma massa de ar mais frio que se desloca das regiões pola- res. O deslocamento dessa massa de ar quente e frio é o que determina a formação dos ventos. Uma estimativa da energia total disponível dos ventos ao redor do planeta pode ser feita a partir da hipótese de que, aproximadamente, 2% da energia solar absorvida pela Terra são convertidos em energia cinética dos ventos. Este percentual, embora pareça pequeno, representa centena de vezes a energia anual produzida nas centrais elétricas do mundo. As figuras 3.1 e 3.2 mostram a formação dos ventos ao longo do globo terrestre. Os ventos que sopram em escala global, e aqueles que se manifestam em pequena escala, são influenciados por dife- rentes aspectos entre os quais se destacam a altura, a rugosi- dade, os obstáculos e o relevo. Capítulo 3Capítulo3 No caso específico da energia eólica, o primeiro fato a ser esclarecido é o porquê deste nome. Ela é assim chamada graças a uma lenda grega, a lenda do deus Éolos, conhecido como “o deus dos ventos” ou “Rei dos ventos”, às vezes identificado como o filho de Arne e de Poseidon, o se- nhor do mar e de todas as divindades marinhas. Éolos, Morador das ilhas Eólias, acolheu amigavelmente Ulisses e seus companheiros e deu- lhes um odre em que estavam encerrados todos os ventos contrários à navegação. Os compa- nheiros de Ulisses, por curiosidade, abriram-no, e os ventos desencadearam uma terrível tem- pestade que causou o naufrágio de quase toda a frota.Por ser a energia eólica a energia proveni- ente dos ventos é que ela recebeu este nome. Tudo indica que uma das primeiras vezes em que a energia eólica foi utilizada foi em embar- cações (figura 2.1). 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, já utilizavam barcos movidos exclusivamente com a força dos ventos. Ao longo dos anos vários tipos de embarca- ções a vela foram sendo desenvolvidos, com grande destaque para as Caravelas surgidas na Eu- ropa no século XIII e que tiveram papel destacado nas Grandes Descobertas Marítimas. Inicia- remos nossas explicações falando sobre como são formados os ventos. Capítulo 2Capítulo 2 A Energia Eólica Os Ventos Figura 2.1 – os ventos e a navegação Figura 3.1 – Correntes de vento ao redor do globo Figuras 3.2 – Correntes de vento globais 06 07 para a terra (brisa marítima). À noite, a temperatura da terra cai mais rapidamente do que a tem- peratura da água e, assim, ocorre a brisa terrestre que sopra da terra para o mar. Normalmente, a intensidade da brisa terrestre é menor do que a da brisa marítima devido à menor diferença de temperatura que ocorre no período noturno. As figuras 3.4 e 3.5 exemplificam o fato citado aci- ma. Sobreposto ao sistema de geração dos ventos descrito anteriormente, encontram-se os ven- tos locais, que são originados por outros mecanismos mais específicos. São ventos que sopram em determinadas regiões e são resultantes das condições locais, que os tornam bastante indivi- dualizados. A mais conhecida manifestação local dos ventos é observada nos vales e monta- nhas. Durante o dia, o ar quente nas encostas das montanhas se eleva e o ar mais frio desce sobre os vales para substituir o ar que subiu. No período noturno, a direção em que sopram os ventos é novamente revertida e o ar frio das montanhas desce e se acumula nos vales. A figura 3.6 abai- xo, exemplifica este processo. 3.1 A velocidade dos ventos A tomada de medida da velocidade dos ventos é parte indispensável no processo de estudo para instalação de um sistema eólico para geração de energia elétrica. Na seqüência, teremos Próximo à superfície do globo as diferenças de temperatura e de pressão dão origem à circu- lação do ar e conseqüentemente à formação dos ventos ao redor da terra. Assim, zonas de baixa pressão se formam na região próxima à linha do equador e dos círculos polares em ambos os he- misférios. Já as zonas de altas pressões são encontradas nos pólos e nas regiões próximas às li- nhas tropicais. Existem locais no globo terrestre nos quais os ventos jamais cessam de "soprar", pois os meca- nismos que os produzem (aquecimento no Equador e resfriamento nos pólos) estão sempre pre- sentes na natureza. São chamados de ventos planetários ou constantes e podem ser classificados em: ? Alísios: ventos que sopram dos trópicos para o Equador, em baixas altitudes. ? Contra-Alísios: ventos que sopram do Equador para os pólos, em altas altitudes. ? Ventos do Oeste: ventos que sopram dos trópicos para os pólos. ? Polares: ventos frios que sopram dos pólos para as zonas temperadas. Tendo em vista que o eixo da Terra está inclinado de 23,5º em relação ao plano de sua órbita em torno do Sol, variações sazonais na distribuição de radiação recebida na superfície da Terra resultam em variações sazonais na intensidade e duração dos ventos, em qualquer local da su- perfície terrestre. Como resultado, surgem os ventos continentais ou periódicos que compreen- dem as monções e as brisas. As monções são ventos periódicos que mudam de direção a cada seis meses aproximada- mente. Em geral, as monções sopram em determinada direção em uma estação do ano e em sen- tido contrário em outra estação, como mostra a figura 3.3. Em função das diferentes capacidades de refletir, absorver e emitir o calor recebido do Sol, inerentes a cada tipo de superfície (tais como mares e continentes), surgem as brisas, que carac- terizam-se por serem ventos periódicos que sopram do mar para o continente e vice-versa. No período diurno, devido à maior capacidade da terra de absorver os raios solares, a temperatura do ar sobre ela aumenta e, como conseqüência, forma-se uma corrente de ar que sopra do mar Figura 3.3 - Ocorrência das monções Figura 3.4 - Brisa marítima Figura 3.5 - Brisa terrestre Figura 3.6 - Ocorrência de brisas 08 09 se fazer medições, com o anemômetro, para identi- ficar a viabilidade de seu uso, pois num mesmo dia são notadas variações consideráveis, por exemplo, em sua intensidade e freqüência. Se por algum motivo, for difícil adquirir o ane- mômetro é possível caracterizar o vento local por fenômenos naturais, como mostra a tabela 3.1 na página ao lado. A direção do vento também é um importante parâmetro a ser analisado, pois mudanças de dire- ção muito freqüentes indicam situações de rajadas de vento. Além disso, a medida da direção do ven- to auxilia na determinação da localização das tur- binas em um parque eólico. Devido à existência do problema de "sombra", isto é, a interferência das es- teiras das turbinas, é fundamental o conhecimento da direção predominante. Do ponto de vista do aproveitamento da ener- gia eólica, é importante distinguir os vários tipos de alterações temporais da velocidade dos ventos, a saber: variações anuais, sazonais, diárias e de cur- ta duração. A) Variações Anuais - Para se obter um bom conhecimento do regime dos ventos não é sufici- ente basear-se na análise de dados de vento de ape- nas um ano; o ideal é dispor de dados referentes a vários anos. À medida que uma maior quantidade de dados anuais é coletada, as características le- vantadas do regime local dos ventos tornam-se ma- is confiáveis. B) Variações Sazonais - O aquecimento não uniforme da superfície terrestre resulta em signifi- cativas variações no regime dos ventos, resultando na existência de diferentes estações do ano. Consi- derando que, em função da relação cúbica entre a potência disponível e a velocidade do vento (na al- uma explanação sobre a tomada de dados sobre o vento e os processos relativos à velocidade. Figura 3.7 - Anemômetro tipo Robinsom ou tipo concha Figura 3.8 - Anemômetro tipo Hélice portátil Figura 3.9 - Biruta Figura 3.10 – Bússola Figura 3.11 – Rosa dos Ventos Figura 3.12 – Cata-vento de pás múltiplas Pontos Cardeais: N - Norte S - Sul E – Este ou Leste O – Oeste Pontos Colaterais: NE – Nordeste NO – Noroeste SE – Sudeste SO – Sudoeste 10 11 tura do eixo da turbina), em algumas faixas de potência, uma pequena variação na velocidade implica numa grande variação na potência. Sendo assim, a utilização de médias anuais (ao in- Número de Beaufort 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Descrição Calmaria Ar leve Brisa leve Brisa suave Brisa moderada Brisa fresca Vento forte Temporal moderado Temporal Temporal forte Temporal muito forte Tempestade furacão Critérios de apreciação na terra A fumaça eleva-se verticalmente. O vento inclina a fumaça, mas não faz girar o cata-vento. As folhas se movem e o vento é sentidono rosto. As folhas e os ramos pequenos se movem continuamente. O vento levanta o pó e a s folhas. Os ramos se agitam. Pequenas árvores começam a balançar. Os ramos grandes se movem. Os fios elétricos vibram. Dificuldade em se usar o guarda-chuva. As árvores se agitam. Há um incômodo ao andar contra o vento. Rompem-se os ramos pequenos das árvores. Difícil andar contra o vento. Os ramos médios das árvores se quebram As árvores são arrancadas e danos são espalhados Destroços extensos. Tetos arrancados, etc. Produz efeitos devastadores Velocidade do vento (m/s) 0 – 0,4 0,5 – 1,5 1,6 – 3,4 3,5 – 5,5 5,6 – 8,0 8,1 – 10,9 11,4 – 13,9 14,1 – 16,9 17,4 – 20,4 20,5 – 23,9 24,4 – 28,0 28,4 – 32,5 32,6 – 60,0 Tabela 3.1 – Escala de Beaufort para estimativa da velocidade do vento Onde: Vel (z) =velocidade do vento a ser estimada na altura desejada em m/s; Vel (zo) = velocidade do vento medida a uma altura conhecida, em m/s Altura(z) =altura em que se deseja estimar a velocidade do vento em m; 12 13 Altura (zo) = altura na qual foi medida a velocidade do vento, em m; e n = parâmetro relacionado com a rugosidade da superfície local, adimensional, geralmente igual a 0,143. Na tabela 3. 2 ao lado é possível obter diretamente o valor da relação 6)INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE DA SUPERFÍCIE DO TERRENO NA VELOCIDADE DO VENTO A rugosidade do terreno, representada por Z0, refere-se ao conjunto de elementos formados por árvores, arbustos, vegetação rasteira e pequenas construções, sobre a superfície do solo. Este conjunto de fatores oferece resistência à passagem do vento, além de desviar a sua trajetó- ria. Portanto, o valor da rugosidade de uma superfície dependerá da altura e da forma como es- ses elementos encontram-se distribuídos em uma determinada área. Dessa forma o parâmetro Z0 é definido por uma escala de comprimento utilizada para caracterizar a rugosidade do terre- no, atribuindo-se, para cada tipo de terreno, um comprimento de rugosidade Z0. Como exemplo, Z0 será aproximadamente igual a 0,001 metros, em locais com superfície bem lisa (areia, neve e água); Z0 será aproximadamente igual a 0,20 metros em locais com pre- sença de árvores e arbustos; e Z0 será aproximadamente igual a 0,50 metros, quando se tratar de áreas residenciais. Vale lembrar que o valor de Z0 deve ser considerado como um parâmetro temporal, uma vez que está diretamente associado às mudanças naturais da paisagem. A determinação da rugosidade de uma superfície poderá ser feita utilizando-se a fórmula matemática, a seguir: onde: Z0 = rugosidade da superfície, em m; H = altura máxima dos elementos que compõem a rugosidade do local em questão, em m; S = área perpendicular à passagem do vento, formada pela rugosidade; Ah = área ocupada pelos elementos que formam a rugosidade. Conhecendo-se as características do local em estudo, pode-se, com a utilização da tabela 3.3, determinar Z0 de modo mais simples. Figura 3.13 - Velocidade do vento X altura Altura (Z) 5 m 6 m 7 m 8 m 9 m 10 m 11 m 12 m 13 m 14 m 15 m 16 m 17 m 18 m 19 m 20 m 21 m 22 m 23 m 24 m 25 m 26 m 27 m 28 m 29 m 30 m 2 m 1,140 1,170 1,196 1,219 1,240 1,259 1,276 1,292 1,307 1,321 1,334 1,346 1,358 1,369 1,380 1,390 1,400 1,409 1,418 1,427 1,435 1,443 1,451 1,458 1,466 1,473 5m 1,000 1,026 1,049 1,070 1,088 1,104 1,119 1,133 1,146 1,159 1,170 1,181 1,191 1,201 1,210 1,219 1,228 1,236 1,244 1,251 1,259 1,266 1,273 1,279 1,286 1,292 10 m 0,906 0,930 0,950 0,969 0,985 1,000 1,014 1,026 1,038 1,049 1,060 1,070 1,079 1,088 1,096 1,104 1,112 1,119 1,126 1,133 1,140 1,146 1,153 1,159 1,164 1,170 Altura ( )Z0 Tabela 3.2 – Lista de alguns valores da relação 14 15 Tabela 3.3 - Classes e valores de rugosidade de diferentes tipos de superfície 7) INFLUÊNCIA DOS OBSTÁCULOS NA VELOCIDADE DO VENTO São considerados obstáculos à passagem do vento os elementos de dimensões conhecidas que causam redução na sua velocidade. As pedras, as rochas de grandes dimensões, os morros, as edificações, as torres maciças e os agrupamentos de árvores de grande altura, entre outros, po- dem ser considerados como obstáculos. Os obstáculos obstruem o movimento dos ventos e também atuam modificando a sua distri- buição e velocidade. Isso leva à conclusão de que para estudar a influência de um obstáculo so- bre o perfil de distribuição do vento, a sua forma deixa de ter importância. A maior preocupação neste caso é com a localização do obstáculo em relação ao ponto de interesse, suas dimensões (comprimento, largura e altura), e sua porosidade. O vento, ao atingir um obs- táculo, terá o seu comporta- mento bastante modificado, por causa das perturbações. Em geral, pode-se constatar que, no sentido vertical, tais perturbações alcançam níveis correspondentes a três vezes a altura do obstáculo, e no senti- do horizontal elas se esten- dem por distâncias de até 40 vezes a altura do obstáculo, conforme ilustra a Figura 3.16. 8)INFLUÊNCIA DO RELEVO NA VELOCIDADE DO VENTO Assim como a rugosidade e os obstáculos, o relevo tem influência marcante no estabeleci- mento da velocidade e do aproveitamento dos ventos, outros acidentes topográficos como va- les, depressões e gargantas, também exercem influência no regime dos ventos. Com estes fatos, recomenda-se que a instalação dos sistemas eólicos seja feita em locais mais elevados onde os ventos ocorrem em uma concentração maior. 9) OBTENÇÃO DE DADOS DE VELOCIDADE DO VENTO A avaliação do potencial eólico de um determinado local deve ser feita com base em obser- vações diárias de velocidade do vento, durante um bom período de tempo. Para isso, devem-se Figura 3.16 – Ilustração da influência de um obstáculo no comportamento do vento e os per- centuais de perda de velocidade, em função da altura do obstáculo 16 17 Figura 4.1 – Esquema simplificado de uma usina eólica utilizar anemômetros, que são aparelhos simples e que cumprem a função de medir a velocida- de do vento no instante desejado. Para obter informações precisas sobre a velocidade dos ventos devem ser efetuadas medidas diárias da velocidade dos ventos por um período mínimo de um ano. Diariamente, devem-se realizar pelo menos cinco medições da velocidade nos seguintes horários: 9horas; 12horas; 15 horas; 18 horas e 21 horas. Esses dados devem ser anotados em tabelas apropriadas, para poste- rior análise, montando-se uma tabela para cada mês. Ao final de cada mês, os dados obtidos de- verão ser encaminhados para um profissional da área, para que possam ser analisados de forma a se obter a intensidade média mensal dos ventos. A Figura 3.17 ilustra uma tabela utilizada pa- ra anotação dos dados. Onde não haja necessidade de medições tão precisas, para implantação de sistemas eólicos de menor porte e encontrando-se dificuldade em obter as medições adequadas pode-se utilizar a tabela de Beaufort, dada anteriormente. Agora que as informações sobre o que é a energia eólica e como os ventos se formam já foram explanadas, é interessante saber como este tipo de energia é utilizado no Brasil e no mundo. Dia Horário das medições 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 01 02 03 04 05 06 07 08 .... .... .... .... .... Final do mês Figura 3.17 – Exemplo de tabela a ser utilizada para registro das medições de velocidade do vento ao longo do dia Capítulo 4Capítulo 4 Panorama da Energia Eólica Não se sabe dizer, com certeza, a data em que o homem começou a utilizar o vento como for- ma de energia. Sabe-se que por volta do ano 2.000 A.C o uso do vento para a navegação já estava consolidado. No ano 400 A.C, Índia e China já usavam o vento para elevação de água na irrigação e moa- gem de grãos. Com o passar do tempo o homem percebeu que seria interessante aproveitar mais esse vento e colocou sobre uma roda de madeira várias velas, feitas com tecido ou pele de animais,que ao girar passou a fazer grande parte do trabalho que antes era totalmente manual. Desta forma, foi criado o moinho de vento. Em 1.750 existiam na Holanda, aproximadamente, 1.000 moinhos de vento em funciona- mento, que passaram a caracterizar a paisagem holandesa. Desde a década de 1930 essa energia passou a ser usada também na geração de eletricidade para acionamento de alguns equipamen- tos e iluminação. A França e os Estados Unidos foram os primeiros países do mundo a usar o vento como fonte geradora de eletricidade. Mesmo com as grandes descobertas tecnológicas deste século e do século passado, a produ- ção comercial da energia elétrica a partir da energia eólica só ganhou impulso nos últimos 30 anos. Estes avanços ocorreram graças e através dos conhecimentos da indústria aeronáutica, principalmente em relação às idéias e aos conceitos preliminares. No início da década de 1970, o mundo estava passando por uma crise no mercado de abaste- cimento do petróleo. Com isso, houve um grande interesse de países europeus e dos Estados Unidos em desenvolver equipamentos para produção de eletricidade que ajudassem a diminu- ir a dependência do petróleo e carvão. Mais de 50.000 novos empregos foram criados e uma sóli- da indústria de componentes e equipamentos foi desenvolvida. Atualmente, a indústria de tur- binas eólicas vem acumulando crescimentos anuais acima de 30% e movimentando cerca de 2 bi- lhões de dólares em vendas por ano (1999). A figura 4.1 mostra um esquema simplificado do fun- cionamento de uma usina eólica. 18 19 Wesley Realce Wesley Realce Wesley Realce Através do conhecimento da indústria aeronáutica, os equipamentos para geração eólica fo- ram evoluindo rapidamente até chegar aos produtos de alta tecnologia. Existem, atualmente, mais de 35.000 turbinas eólicas de grande porte em operação no mundo, com capacidade insta- lada da ordem de 13.500 MW. Os países que estão na vanguarda do desenvolvimento tecnológico são a Alemanha e a Dina- marca. Este último país desenvolveu um dos maiores parques de produção de eletricidade eóli- ca do Mundo. Os primeiros equipamentos, a serem utilizados no bombeamento e moagem, no caso os ca- ta-ventos, foram sendo aperfeiçoados e substituídos por modelos mais eficientes em tamanho, forma, potência, tipo de material utilizado em sua fabricação, peso e quantidade das pás; entre outros, principalmente quando passaram a ter utilização na geração de eletricidade. Da década de 1920 até a metade da década de cinqüenta, milhares de “moinhos de vento”, co- mo os norte americanos chamavam os cata-ventos, forneceram energia elétrica a fazendas, prin- cipalmente para alimentação de iluminação e aparelhos de rádio. Na década de 1970, nos EUA, foram instaladas centrais eólicas experimentais com potências variando de 10 até mais de 1000 kW. Posteriormente desenvolvimentos similares ocorreram na União Soviética, Dinamarca, França, Inglaterra e Alemanha. Estas usinas apresentavam aeroge- radores de poucas pás, de grande comprimento e girando a baixas velocidades. A primeira turbina eólica comercial ligada à rede elétrica pública foi instalada na Dinamar- ca, em 1976. A meta atual da Associação Européia de Energia Eólica é alcançar a marca de 40.000 MW na Europa até 2010 e 10% do suprimento de toda energia elétrica até 2020. Em ter- mos de capacidade instalada, estima-se que, até 2020, a Europa já terá 100.000 MW. Os Estados Unidos possuem um parque eólico com cerca de 4.600 MW já instalados e com uma estimativa de crescimento de 10% ao ano. Até o ano de 1990 o mundo pos- suía uma capacidade instalada inferior a 2000 MW. Já no final de 2002 esta capacidade foi além de 32000 MW. Estima-se que em 2020 o mundo terá 12% da ener- gia gerada pelo vento, com uma capacidade instalada de mais de 1.200 GW .A figura 4.2 mostra co- mo está a distribuição da capaci- dade instalada de energia eólica no mundo. O gráfico apresentado anteriormente, mostra com clareza que a Alemanha é o pais respon- sável pela maior parte da capacidade eólica instalada no mundo. A tabela 4.1 fornece dados nu- méricos mais precisos para validar esta afirmação. Os avanços tecnológicos têm levado os custos deste tipo de equipamento a valores cada vez mais acessíveis à comercialização em grande escala e melhorado o desempenho e a confiabili- dade dos equipamentos. Para que a energia eólica seja considerada tecnicamente aproveitável, é necessário que sua 2densidade seja maior ou igual a 500 W/m , a uma altura de 50 m, o que requer uma velocidade mínima do vento de 7 a 8 m/s. Segundo a Organização Mundial de Meteorologia, em apenas 13% da superfície terrestre o vento apresenta velocidade média igual ou superior a 7 m/s, a uma altura de 50 m. Essa proporção varia muito entre regiões e continentes, chegando a 32% na Euro- pa Ocidental, como indicado nas Tabelas 4.2 e 4.3. País/região Alemanha Estados Unidos Dinamarca Espanha Brasil Europa (exceto Alem., Din. e Espanha). Ásia Américas (exceto EUA e Brasil) Austrália e Pacífico África e Oriente Médio Total 1997 2080 1590 1116 512 3 1058 1116 52 33 24 7584 1998 2874 1927 1450 834 7 1411 1194 128 63 26 9914 1999 4445 2492 1742 1530 20 1590 1287 194 116 39 13455 2000 6113 2555 2297 2402 20 2610 1574 223 221 141 18156 2001 8734 4245 2456 3550 20 2760 1920 302 410 147 24544 2002 12001 4645 2889 4830 22 3637 2184 353 524 149 31234 Tabela 4.1 - Capacidade instalada de Energia eólica no mundo em MW Figura 4.2 – Distribuição da capacidade instalada de energia eólica no mundo 20 21 A energia eólica é considerada a energia mais limpa do planeta, disponível em diversos luga- res e em diferentes intensidades, uma boa alternativa às energias não-renováveis. Wesley Realce Região/Continente África Austrália América do Norte América Latina Europa Ocidental Europa Ocidental & ex-URSS Ásia (excluindo ex-URSS) Mundo 2(103 km ) 2(103 km ) 2(103 km ) 3.750 850 2.550 1400 345 3377 1550 13650 12 8 12 8 8,6 15 6 10 3.350 400 1750 850 416 4260 450 9550 11 4 8 5 10 10 2 7 200 550 3350 950 371 1146 200 8350 1 5 15 5 22 5 5 6 Velocidade do Vento (m/s) a 50 m de Altura 6,4 a 7,0 7,0 a 7,5 7,5 a 11,9 (%)(%)(%) Região África Austrália América do Norte América Latina Europa Ocidental Europa Ocidental & ex-URSS Ásia (excluindo ex-URSS) Mundo Porcentagem de Terra Ocupada* 24 17 35 18 42 29 9 23 Potencial Bruto (TWh/ano) 106.000 30.000 139.000 54.000 31.400 106.000 32.000 491.400 Densidade Demográfica 2(hab/km ) 20 2 15 15 102 13 100 ------ Potencial Líquido (TWh/ano) 10.600 3.000 14.000 5.400 4.800 10.600 4.900 53.000 Tabela 4.2 - Distribuição da área continental segundo a velocidade média do vento Tabela 4.3 - Estimativa do potencial eólico mundial (*) Em relação ao potencial bruto; (**) Excluindo-se Groenlândia, Antártida, a maioria das ilhas.média do vento Capítulo 5Capítulo 5 A Energia Eólica no Brasil No caso do Brasil, tradicionalmente, a utilização dos recursos eólicos é voltada para o uso de cata-vento multipás para bombeamento d'água. Estudos realizados no país demonstram que o Brasil possui um grande potencial eólico ainda não explorado. A instalação da primeira central eólica no Brasil, com potência de 75 kW e localizada em Fer- nando de Noronha (PE). Figura 5.1 - Potencial eólico no Brasil 22 23 Hoje a capacidade instalada no Brasil é de cerca de 20 MW, com turbinas eólicas de médio e grande porte, conectadas à rede elétrica. Além disso, existem dezenas de turbinas eólicas de pe- queno porte funcionando em locais isolados da rede convencional para aplicações diversas - bombeamento, carregamento de baterias, telecomunicações e eletrificação rural. Vários estados brasileiros iniciaram, como já fizeram os estados do Ceará e Pernambuco, pro- gramas de levantamentode dados de vento. Hoje existem mais de cem anemógrafos computa- dorizados espalhados por vários estados brasileiros. Dada a importância da caracterização dos recursos eólicos da região Nordeste, o Centro Bra- Figura 5.2 - Mapa do potencial eólico no Brasil, CBEE (2001) sileiro de Energia Eólica - CBEE, com o apoio da Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL e do Ministério de Ciência e Tecnologia - MCT lançou, em 1998, a primeira versão do Atlas Eóli- co do Nordeste do Brasil (WANEB - Wind Atlas for the Northeast of Brazil) com o objetivo prin- cipal de desenvolver modelos atmosféricos, analisar dados de ventos e elaborar mapas eólicos confiáveis para a região. Mapas do potencial eólico do Brasil foram mostrados nas figuras 5.1 e 5.2 anteriormente. 5.1 Projeto de aerogeradores no Brasil No Brasil, o Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE em parceria com faculdades, empre- sas e concessionárias tem contribuído para a instalação de centrais eólicas no país, totalizando um potencial eólico de 20,3 MW. Entre os projetos desenvolvidos pela CBEE, destacam-se: Taiba, Prainha e Mucuripe no Cea- rá; Olinda em Pernambuco; Morro do Camelinho em Minas Gerais; Palmas no Paraná e o da ilha de Fernando de Noronha. As figuras 5.3, 5.4 e 5.5 mostram alguns aerogeradores em funciona- mento no Brasil, de acordo com os projetos desenvolvidos pela CBEE. Figura 5.3 – Central eólica na ilha de Fernando de Noronha, com 75 kW de potência elétrica instalada Figura 5.4 – Central eólica do Morro do Camelinho em Minas Gerais, com 250 kW de potência elétrica instalada Figura 5.5 – Central eólica de Palmas, no Paraná, com 2500 kW de potência elétrica instalada, CBEE (2001) 24 25 No Brasil ainda não há fabricantes especializados na construção de turbinas eólicas, embora a tecnologia seja explorada, desde 1970, por algumas concessionárias, como a Cemig (Compa- nhia Energética de Minas Gerais), a Coelba (Companhia de Eletricidade da Bahia) e a Coelce (Companhia de Eletricidade do Ceará). 5.2- A energia eólica e o setor elétrico brasileiro No Brasil é pequena a participação da energia eólica no montante da geração de energia elé- trica. A tabela 5.1 mostra, numericamente, esta percepção de inserção da energia eólica no con- texto da energia elétrica do Brasil O esperado pelo mercado, hoje, é que o interesse dos empreendedores com relação ao mer- cado de energia eólica aumente, graças aos incentivos vigentes para o setor elétrico brasileiro. Dentre os incentivos existentes, destaca-se o PROINFA - Programa de Incentivo às Fontes Alter- nativas de Energia Elétrica. Sua principal meta é chegar ao ano de 2022, com o atendimento de 10% do consumo anual de energia elétrica no País por fontes alternativas (pequenas centrais hi- Nome Bom Jardim Bom Jardim Prainha Taíba Olinda Experimental Palmas Mucuripe Pot.(kW) 75 600 600 10.000 5.000 225 1.000 2.500 2.400 Município - UF Fernando de Noronha - PE Bom Jardim da Serra – SC Bom Jardim da Serra - SC Aquiraz - CE São Gonçalo do Amarante - CE Olinda - PE Gouveia - MG Palmas - PR Fortaleza - CE Destino da Energia SP PIE PIE PIE PIE PIE SP PIE PIE Proprietário Companhia Energética de Pernambuco Parque Eólico de Santa Catarina Ltda. Parque Eólico de Santa Catarina Ltda Wobben Wind Power Indústri a e Comércio Ltda Wobben Wind Power Indústria e Comércio Ltda Centro Brasileiro de Energia Eólica – FADE/UFPE Companhia Energética de Minas Gerais do Morro do Camelinho Centrais Eólicas do Paraná Ltda Wobben Wind Power Indústria e Comércio Ltda. Tabela 5.1 – A energia eólica no contexto da energia elétrica do Brasil drelétricas, eólica, fotovoltaica e bio- massa). Além deste tipo de incentivo, outra possibilidade igualmente inte- ressante é a complementação entre a geração hidrelétrica e a geração eólica. A viabilidade deste tipo de investi- mento pode ser observada na região Nordeste. Nesta região, no período de menor disponibilidade hídrica, existe uma maior disponibilidade do poten- cial eólico. A figura 5.6, ao lado, deixa claro visualmente este aspecto de com- plementabilidade de produção ener- gética. A figura 5.7 abaixo, mostra a localização dos empreendimentos eólicos, instalados ou outor- gados no Brasil. Figura 5.6 - Complementaridade entre a geração hidrelétrica e eólica Figura 5.7 - Localização dos projetos eólicos em operação e outorgados (construção não iniciada) – situação em setembro de 2003. 26 27 Como comentado anteriormente, o Brasil possui vários empreendimentos já instalados. O primeiro de- les é o das turbinas eólicas do Arquipélago de Fernan- do de Noronha - PE, desde 1992. Este projeto foi reali- zado através de uma parceria entre o Grupo de Ener- gia Eólica da Universidade Federal de Pernambuco – UFPE e a Companhia Energética de Pernambuco – CELPE, com financiamento do Folkecenter (um insti- tuto de pesquisas dinamarquês). Na época em que foi instalada, a geração de eletricidade dessa turbina cor- respondia a cerca de 10% da energia gerada na Ilha, proporcionando uma economia de aproximadamente 70.000 litros de óleo diesel por ano. A segunda turbina (figura 5.8), um projeto realizado pelo CBEE, com a co- laboração do RISO National Laboratory da Dinamar- ca, e financiado pela ANEEL, foi instalada em maio de 2000 e entrou em operação em 2001. Os dois proje- tos juntos geram até 25% da eletricidade consumida na ilha, o que veio a tornar o sistema elétrico de Fer- nando de Noronha o maior sistema híbrido eólico- diesel do Brasil. Outros projetos instalados no Brasil são mostrados a seguir. Central Eólica Experimental do Morro do Cameli- nho – MG: instalado em 1994, no Município de Gouve- ia – MG. Com capacidade nominal de 1 MW, o projeto foi realizado pela Companhia Energética de Minas Ge- rais – CEMIG, com o apoio financeiro do governo ale- mão (Programa Eldorado). A central é constituída por 4 turbinas de 250 kW, com rotor de 29 m de diâmetro e torre de 30 m de altura (figura 5.9). Central Eólica de Taíba – CE: localizada no Município de São Gonçalo do Amarante – CE, a Central Eólica de Taíba (figura 5.10), com 5 MW de potência, foi a primeira a atuar como produ- tor independente no País. Em operação desde janeiro de 1999, a central é composta por 10 turbi- nas de 500 kW, geradores assíncronos, rotores de 40 m de diâmetro e torre de 45 m de altura. Central Eólica de Prainha – CE: localizada no Município de Aquiraz – CE, a Central Eólica de Figura 5.8 – Segunda turbina eólica de Fernando de Noronha Prainha (figura 5.11) é o maior parque eólico do País, com capacidade de 10 MW (20 turbinas de 500 kW). O projeto foi realizado pela Wobben Windpower e inaugurado em abril de 1999. As turbinas utilizam geradores síncronos, funcio- nam com velocidade variável e com controle de potência por pitch (ângulo de passo das pás). Central Eólica Mucuripe – CE: situada em For- taleza - CE (Figura 5.12), esta central tinha potên- cia instalada de 1.200 kW. Desativada em 2000, foi posteriormente repotenciada e passou a con- tar com 4 turbinas eólicas E-40 de 600 kW (2.400 kW). Central Eólica de Palmas – PR: inaugurada em 2000, trata-se da primeira central eólica do Sul do Brasil, localizada no Município de Palmas – PR, com potência instalada de 2,5 MW (figura 5.13). Realizado pela Companhia Paranaense de Energia – COPEL e pela Wobben Windpower (do Brasil), o projeto foi inaugurado em novembro de 1999, com 5 turbinas de 500 kW, idênticas àquelas de Taíba e Prainha. Central Eólica de Olinda – PE: O CBEE insta- lou, em 1999, uma turbina eólica WindWord (Fi- gura 5.14) na área de testes de turbinas eólicas em Olinda. Esta turbina conta com sensores e instru- mentação para medidas experimentais. Central Eólica de Bom Jardim – SC: em 2002 uma turbina Enercon de 600 kW foi instalada no Município de Bom Jardim da Serra - SC (figura 5.15) pela CELESC eWobben Windpower, sendo a mais recente central implantada no País. Figura 5.9 - Central Eólica Exp. do Morro do Camelinho – (Gouveia) - MG Figura 5.10 - Central Eólica de Taíba São Gonçalo do Amarante – CE Figura 5.11 - Central Eólica da Prainha – Aquiraz – CE Figura 5.12 - Central Eólica Mucuripe– Fortaleza – CE 28 29 Figura 5.14 - Central Eólica de Olinda – PE Figura 5.15 - Central Eólica de Bom Jardim Bom Jardim da Serra - SC Figura 5.13 - Central Eólica de Palmas – Palmas - PR Capítulo 6Capítulo 6 Energia Eólica e o Meio Ambiente O mundo hoje necessita de uma maior segurança relacionada ao fatos que cercam a utiliza- ção do ambiente como um todo. Isso se comprova através das pressões de organizações não go- vernamentais, leis específicas voltadas para o meio ambiente e sua utilização, criação de marcas e selos ofertados a produtos e trabalhos ecologicamente corretos, os chamados selos verdes, etc. Dentro deste padrão, cabe uma análise, mesmo que simplificada, dos impactos ambientais causados pela utilização da energia eólica. Este tipo de tecnologia para a geração de energia elé- trica, como as demais com o mesmo propósito, apresenta algumas características ambiental- mente desfavoráveis, como relacionado a seguir. ? Impacto visual, ? Ruído audível, ? Interferência eletromagnética, ? Ofuscamento ? Danos a fauna. Esses efeitos podem ser minimizados ou mesmo eliminados através de planejamento e estu- dos adequados, aliados aos avanços e inovações tecnológicos sempre em desenvolvimento. Com relação às vantagens atribuídas à energia eólica conta-se o fato de que ela não utiliza a água como elemento chave para a geração da energia elétrica, não apresenta resíduos radioati- vos ou emissões gasosas nocivas. Além destes aspectos, é relevante salientar que cerca de 99% da área utilizada para a implantação do parque eólico pode ser utilizada para outros fins como a agricultura, pecuária, etc. Tipo de Impacto: Emissão de gases Não emite gases poluentes durante operação Observação: Proporcionam redução de emissão de gases de efeito estufa e na redução da con- centração de CO durante operação. Uma turbina de 600 kW, por exemplo, instalada em uma re-2 gião de bons ventos poderá evitar a emissão entre 20.000 e 36.000 toneladas de Co .2 Emissão de Ruídos O ruído produzido pela turbina pode ser audível a 2100 m, na direção do ven- to, e a 1400 m, na direção oposta. O valor do nível de ruído emitido por uma torre eólica a cerca de 50 m de distância desta e a 1,5 m do solo é cerca de 55 dB(A). Para distâncias em relação ao ae- Características: Tipo de Impacto: Características: 30 31 rogerador de aproximadamente 400 m, este valor reduz-se para cerca de 36 dB(A). O ruído proveniente das turbinas eólicas tem duas origens: mecânica e aerodi- nâmica. O ruído mecânico é proveniente, principalmente, da caixa de engrenagens e da hélice. O ruído aerodinâmico é influenciado direta-mente pela velocidade do vento incidente sobre a turbina eólica. Impacto Visual É altamente subjetiva. Fase de construção Associado ao movimento de terras, nomeadamente às obras de terraplena- gem e às escavações necessárias à construção das plataformas de suporte dos aerogeradores e da subestação e à abertura das valas para colocação dos cabos elétricos. Os movimentos de terra são, também, susceptíveis de provocar uma alteração da morfologia original do terreno. Os impactos resultantes podem persistir ou não, após a con- clusão da obra. Durante a fase de construção, ocorre a remoção da cobertura vegetal, com even- tual favorecimento do processo de erosão. Hidrologia A inadequada localização de um parque eólico pode provocar impactos no nível da hidrologia, durante as fases de construção e exploração da obra, se as torres forem im- plantadas sobre as cabeceiras de nascentes, afetando as linhas de drenagem natural e as condi- ções de infiltração das águas pluviais. Durante a fase de construção pode ocorrer degradação da qualidade das águas superficiais. A movimentação de terras gera poeiras, durante o tempo seco, e turvação das águas superficiais, durante as chuvas, o que provoca, em ambos os casos, um aumento da carga de partículas sólidas transportadas para os cursos de água. Os derrames acidentais de óleos e combustíveis resultantes da operação de veículos e de máquinas podem provocar aumentos pontuais da poluição por hidrocarbonetos. Fase de exploração Depende da possibilidade da utilização ou não, para outras finalidades, da área que fica disponível entre as turbinas. Observação: Tipo de Impacto: Características: Tipo de Impacto: Características: Observação: Tipo de Impacto: Características: Observação: Tipo de Impacto: Características: Observação: Tipo de Impacto: Características: Observação: Tipo de Impacto: Características: Observação: Tipo de Impacto: Características: Tipo de Impacto: Características: 2O espaço requerido por cada turbina é pouco significativo (cerca de 40 m por turbina) correspondendo apenas ao necessário à instalação da base da torre e de um acesso a ela. Paisagem Do ponto de vista paisagístico, não se considera negativo a visualização do parque, uma vez que este é um elemento de apreciação subjetiva. Suas estruturas podem atingir 80 m de altura, com pás de até 60 m de diâmetro, assim o caráter rural de uma área com potencial eólico pode ser significativamente alterado pe- la presença de aerogeradores. Fauna Circulação de veículos e pessoas e o funcionamento dos aerogeradores, po- rém, se o parque é controlado eletronicamente e tem pouco uso de mão de obra, não se encon- tram impactos significativos sobre a fauna, resultantes da presença humana. O impacto de um parque eólico sobre a fauna em geral resulta, essencialmente, das movimentações de terras e da implantação de estruturas permanentes, com conseqüente perturbação localizada dos habitats. As causas mais simples de mortalidade das aves em parques eólicos são as coli- sões e especialmente as eletrocussões. Contudo, existe a perturbação causada por aves em mi- gração. Quanto às aves sedentárias, observações diversas indicam que as mesmas se habituam à presença das turbinas, evitando-as. As aves que vivem nas vizinhanças dos aerogeradores aca- bam por habituar-se a estas máquinas e ao ruído que emitem; algumas chegam mesmo a adap- tar o seu comportamento de forma a tirarem partido dos aerogeradores nas suas atividades de captura das presas. Características sociais A produção de energia elétrica a partir de fontes de energia renovável, além de permitir a redução de emissões de poluentes atmosféricos, dá lugar à economia de matérias- primas finitas. Isso evita a exaustão dos recursos naturais não renováveis, bem como a saída de divisas para o exterior, necessárias à compra, nos mercados internacionais, de combustíveis fós- seis. Flora ?Abertura de valas e de fundações; 32 33 ?Instalação de estaleiros de obras; ?Construção e beneficiação dos acessos (principal e ramais entre aerogeradores e para as de- mais frentes de obra); ?Construção de edifícios permanentes; ?Circulação de pessoas e máquinas; A duração prevista das obras é de cerca de 6 a 9 meses, sendo o Inverno a época atmosfericamente mais desfavorável à execução das mesmas. Durante a construção há natural- mente trabalhos com maquinas, movimentação de terras e maior presença humana que podem causar o pisoteamento da vegetação e, consequentemente, eliminação de alguns elementos da flora local. Atividades econômicas Características: Sua implantação ocorre, frequentemente, em locais interessantes sob o pon- to de vista de lazer e/ou com uma grande área sem muitos obstáculos. A utilização destes locais pode ser voltada também para o ecoturismo. Neste contexto, a comunidade local pode se estru- turar para que este fato possa se tornar um complemento importante de renda a ser explorado. Iniciadoo período de funcionamento, além do movimento gerado pelas equi- pes de exploração e manutenção, tem-se verificado que os locais de implantação destes empre- endimentos acabam por se tornar pontos de atração turística. Qualidade do ar Os impactos sobre a qualidade do ar são pouco significativos e de âmbito muito localizado. Devem-se, essencialmente, ao tráfego de caminhões e às emissões de poeiras, resultantes das escavações e movimentações de terras. Emissões de partículas que, pela sua granulometria, se depositam normalmen- te a curta distância do local onde são produzidas. O aumento temporário do tráfego de veículos pesados na obra contribui para o aumento das emissões de poluentes para a atmosfera, com ên- fase para os seguintes poluentes: NOx, CO e CO.2 Como exemplo de prováveis impactos ambientais, causados pela implantação de parques eólicos, temos as imagens abaixo ilustrando o caso do parque eólico de Navarre – Espanha. As figuras 6.1 a 6.4 a seguir mostram detalhes do local de instalação das turbinas eólicas. Observação: Tipo de Impacto: Observação: Tipo de Impacto: Características: Observação: Figura 6.1 – Pássaros atingidos durante seu vôo pelas pás das turbinas Figura 6.2 – vista do topo do monte onde estão instaladas as turbinas eólicas Figura 6.3 – vista parcial da coluna de sustentação de turbina eólica (Base) Figura 6.4 – Vista parcial do local de instalação das turbinas durante a fase de implantação 34 35 Capítulo 7Capítulo 7 Tecnologias de Aproveitamento 7.1 Turbinas eólicas Vários tipos de turbina já surgiram ao longo da escalada de desenvolvimento deste tipo de tecnologia: ?Eixo horizontal, ?Eixo vertical, ?Com apenas uma pá, ?Com duas e três pás, ?Gerador de indução, ?Gerador síncrono Hoje, a tecnologia dominante estabelece a utilização de turbinas eólicas com as seguintes ca- racterísticas: ?Eixo de rotação horizontal, ?Três pás, ?Alinhamento ativo, ?Gerador de indução ?Estrutura não-flexível. A figura 7.1 a seguir, ilustra em detalhes este tipo de turbina, que apesar de bastante utiliza- da não tem aceitação plena. Muitos estudiosos contestam a estrutura deste modelo de turbina eólica. Entre os pontos em desacordo está à utilização ou não do controle do ângulo de passo (pitch) das pás para limitar a potência máxima gerada. Hoje, o que acorre é a combinação destas duas técnicas de controle, ou seja, técnicas de con- trole de potência (stall e pitch) em pás que podem variar o seu ângulo de passo para ajustar a po- tência gerada, sem, contudo, utilizar esse mecanismo continuamente. A capacidade de geração elétrica das primeiras turbinas eólicas comerciais ficava entre as marcas de 10 kW a 50 kW. No início da década de 1990 chegaram ao limite de 100 kW a 300 kW. Em 1995 passaram a ser comercializados modelos de 300 kW a 750 kW. Em 1997 entraram no mercado as turbinas de 1MW e 1,5 MW. Em 1999 surgiram as primeiras turbinas de 2 MW. Hoje as turbinas alcançam a casa de 3,6MW e 4,5MW. Quanto ao porte, elas se classificam em: ?Pequenas, cuja potencia nominal é menor do que 500 kW; ?Médias, com potencial entre 500 kW e 1000kW (1MW); ?Grandes, que alcançam um potencial nominal maior que 1kW (1MW). Figura 7.1 – Turbina eólica de grande porte 36 37 No atual estágio tecnológico em que se encontram as turbinas eólicas, o mercado oferece uma variedade de modelos, ajustados para as mais diversas condições de instalação e necessi- dades. Elas podem tanto ser conectadas à rede elétrica ou utilizadas em sistemas isolados (os quais serão explicados mais adiante). Podem ser instaladas tanto em terra firme como em estru- turas de construção civil ou ainda em alto mar, como mostram as figuras 7.2 e 7.3. Um sistema eólico pode ser utiliza- do em três aplicações distintas, quais sejam sistemas isolados, sistemas hí- bridos e sistemas interligados à rede. Os sistemas obedecem a uma configu- ração básica, que inclui uma unidade de controle de potência e, em determi- nados casos, conforme a aplicação, de uma unidade de armazenamento. a)Sistemas Isolados: Os sistemas isolados de pequeno porte, em geral, utilizam alguma for- ma de armazenamento de energia. Este armazenamento pode ser feito através de baterias ou na forma de energia gravitacional com a finalida- de de armazenar a água bombeada em reservatórios elevados para posterior utilização. Alguns sistemas isolados não necessitam de armazenamento, como no caso dos sistemas para irrigação onde toda a água bombeada é diretamente consumida. Os sistemas que armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para contro- lar a carga e descarga da bateria. O Controlador de carga tem como principal objetivo não deixar que haja danos ao sistema de baterias devidos a sobrecargas ou descargas profundas. Para alimentação de equipamentos que operam com corrente alternada (CA), é necessário a utilização de um inversor. Este inversor pode ser de estado sólido (eletrônico) ou rotativo (me- cânico). b)Sistemas híbridos: Os sistemas híbridos são aqueles que apresentam mais de uma fonte de geração de energia como, por exemplo, turbinas eólicas, geradores diesel, módulos fotovoltáicos, entre outras. A Figura 7.2 – Turbina eólica instalada em terra firme Figura 7.3 – Turbina eólica instalada em alto mar utilização de várias formas de geração de energia elétrica aumenta a complexidade do sistema e exige a otimização do uso de cada uma das fontes. Nesses casos é necessário realizar um con- trole de todas as fontes para que haja máxima eficiência e otimização dos fluxos energéticos, na entrega da energia para o usuário. Em geral, os sistemas híbridos são empregados em sistemas de médio porte destinados a atender um número maior de usuários. Por trabalhar com cargas em corrente alternada, o siste- ma híbrido também necessita de um inversor. Devido à grande complexidade de arranjos e mul- tiplicidade de opções, a forma de otimização do sistema requer um estudo particular a cada ca- so. c)Sistemas interligados à rede: Os sistemas interligados à rede não necessitam de sistemas de armazenamento de energia, pois toda a geração é entregue diretamente à rede elétrica. Estes sistemas representam uma fon- te complementar ao sistema elétrico de grande porte ao qual estão interligados. Os sistemas eóli- cos interligados à rede apresentam as vantagens inerentes aos sistemas de geração distribuída tais como a redução de perdas, o custo evitado de expansão de rede a geração na hora de ponta quando o regime de ventos coincide com o pico da curva de carga. Considerando o uso da energia eólica para geração de energia elétrica, a indagação que sur- ge é a de como funciona este processo. Primeiramente, deve-se ter: ?Um aerogerador de 3 pás, pelo fato de ter movimento rotatório mais rápido; ?Um gerador elétrico; ?Um transformador; ?Fios ou cabos condutores de corrente elétrica; ?Controlador de carga (para controlar a carga e descarga da bateria, garantindo sua vida útil); ?Bateria ou banco de baterias para armazenar a energia gerada. Em seguida, deve-se acoplar o gerador ao eixo do rotor e fazer a ligação correta dos fios ou ca- bos, isto é, pólo positivo (+) com positivo e pólo negativo (-) com negativo na saída do gerador. Feito isso, o aerogerador deve ser instalado no local onde a velocidade medida do vento for maior usando uma haste de metal galvanizado (se for um sistema pequeno) ou em uma torre tre- liçada (se o sistema for grande), ambos fixados no solo garantindo sua sustentação. Posterior- mente usa-se um controlador de carga com três pares de terminais onde, no primeiro, serão co- nectados os fios ou cabos que saem do gerador, no segundo a bateria e no terceiro os fios condu- tores que serão ligados ao equipamento, permitindo, desta forma, seu funcionamento, confor- me mostrado na figura 7.4. 38 39 Nesse processo tem-se a conversão da energia eólica em mecânicae, da energia mecânica em energia elétrica. De modo mais detalhado, os elementos aci- ma podem ser descritos como um sistema eólico aerogerador básico composto dos seguintes ele- mentos: Rotor: O rotor é o componente do sistema eólico res- ponsável por captar a energia cinética dos ventos e transformá-la em energia mecânica de rota- ção. É o componente mais característico de um sistema eólico, e sua configuração influenciará di- retamente no rendimento global do sistema. Os rotores eólicos, ao extraírem a energia do vento, reduzem a sua velocidade; ou seja, a velo- cidade do vento frontal ao rotor (velocidade não perturbada) é maior do que a velocidade do vento atrás do rotor (na esteira do rotor). Para um sistema eólico, existem ainda outras perdas, relacionadas com cada componente (ro- tor, transmissão, caixa multiplicadora e gerador). Além disso, o fato do rotor eólico funcionar em uma faixa limitada de velocidade de vento também irá contribuir para reduzir a energia por ele captada. Qualquer sistema eólico somente começa a funcionar a partir de uma certa veloci- dade, chamada de velocidade de entrada, que é necessária para vencer algumas perdas. Quan- do o sistema atinge a chamada velocidade de corte um mecanismo de proteção é acionado com a finalidade de não causar riscos ao rotor e à estrutura. Transmissão e Caixa Multiplicadora: Figura 7.4 – Demonstração do sistema eólico na geração de eletricidade Legenda: 1 – Rotor eólico 2 – Transmissão / Multiplicação 3 – Mecanismo de controle 4 – Gerador 5 – Elemento de sustentação 6 – Controlador de cargas 7 – Bateria 8 – Cargas A transmissão, que engloba a caixa multiplicadora, possui a finalidade de transmitir a ener- gia mecânica entregue pelo eixo do rotor até o gerador. É composta por eixos, mancais, engrena- gens de transmissão e acoplamentos. O projeto tradicional de uma turbina eólica consiste em co- locar a caixa de transmissão mecânica entre o rotor e o gerador de forma a adaptar a baixa velo- cidade do rotor à velocidade de rotação mais elevada dos geradores convencionais. Mais recentemente, alguns fabricantes desenvolveram com sucesso aerogeradores sem a cai- xa multiplicadora e abandonaram a forma tradicional de construir turbinas eólicas. Assim, ao in- vés de utilizar a caixa de engrenagens com alta relação de transmissão, necessárias para alcan- çar a elevada rotação dos geradores, utilizam-se geradores multipolos de baixa velocidade e grandes dimensões. Os dois tipos de projetos possuem vantagens e desvantagens e a decisão de utilizar o multi- plicador ou fabricar um aerogerador sem caixa de transmissão é antes de tudo uma questão de fi- losofia do fabricante. Gerador Elétrico: Responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica. A transformação da energia mecânica de rotação em energia elétrica através de equipamentos de conversão eletro- mecânica é um problema tecnologicamente dominado, motivo pelo qual se encontram vários fa- bricantes de geradores disponíveis no mercado. Entretanto, a integração de geradores a siste- mas de conversão eólica constitui-se em um grande problema, que envolve principalmente: ?Variações na velocidade do vento (extensa faixa de rotações por minuto para a geração); ?Variações do torque de entrada (uma vez que variações na velocidade do vento induzem va- riações de potência disponível no eixo); ?Exigência de freqüência e tensão constante na energia final produzida; ?Facilidade de instalação, operação e manutenção devido ao isolamento geográfico de tais sistemas, sobretudo em caso de pequena escala de produção (isto é, necessitam ter alta confiabi- lidade). Atualmente, existem várias alternativas de conjuntos moto-geradores, entre eles: ?Geradores de corrente contínua, ?Geradores síncronos, ?Geradores assíncronos, ?Geradores de comutador de corrente alternada. Cada uma delas apresenta vantagens e desvantagens que devem ser analisadas com cuida- do na sua incorporação a sistemas de conversão de energia eólica. 40 41 Mecanismo de Controle: Responsável pela orientação do rotor, controle de velocidade, controle da carga, etc. Os me- canismos de controle destinam-se à orientação do rotor, ao controle de velocidade, ao controle de carga, etc. Pela variedade de controles existe uma enorme variedade de mecanismos que po- dem ser mecânicos (velocidade, passo, freio), aerodinâmicos (posicionamento do rotor) ou ele- trônicos (controle da carga). Os modernos aerogeradores utilizam dois diferentes princípios de controle aerodinâmico para limitar a extração de potência à potência nominal do aerogerador. São chamados de con- trole estol (stall) e controle de passo (pitch). No passado, a maioria dos aerogeradores usa- va o controle estol simples. Atualmente, com o aumento do tamanho das máquinas, os fabri- cantes estão optando pelo sistema de controle de passo que oferece maior flexibilidade na ope- ração das turbinas eólicas. Um exemplo de mecanismo de controle é a utilização de rotores com ângulo de passo variá- vel. Com este controle, à medida que a velocidade do vento varia, as pás mudam de posição, va- riando o rendimento do rotor. Com isto, pode-se aumentar o intervalo de funcionamento do sis- tema eólico e ainda manter uma determinada velocidade de rotação, que corresponde à eficiên- cia máxima do gerador. Torre: As torres são necessárias para sustentar e posicionar o rotor a uma altura conveniente para o seu funcionamento. É um item estrutural de grande porte e de elevada contribuição no custo ini- cial do sistema. Em geral as torres são fabricadas de metal (treliça ou tubular) ou de concreto, e podem ser ou não sustentadas por cabos tensores. Sistema de Armazenamento: Responsável por armazenar a energia para produção de energia firme a partir de uma fonte intermitente. Como o comportamento do vento muda ao longo do tempo, pode ser necessária a utilização de um sistema de armazenamento que garanta o fornecimento adequado à demanda. Nos casos em que a energia eólica é utilizada para complementar a produção de energia con- vencional, a energia gerada é injetada diretamente na rede elétrica, não sendo necessário o ar- mazenamento de energia, bastando que o sistema elétrico convencional de base esteja dimen- sionado para atender à demanda durante os períodos de calmaria. Quando a energia eólica é utilizada como fonte primária de energia, se faz necessária uma forma de armazenamento para adaptar o perfil aleatório de produção energética ao perfil de consumo. Assim o excesso de energia durante os períodos de ventos de alta velocidade, será guardado para ser utilizado quando o consumo não puder ser atendido devido à insuficiência de vento. As formas mais conhecidas de armazenamento de energia eólica são através de bate- rias e sob a forma de energia potencial gravitacional. Transformador: Responsável pelo acoplamento elétrico entre o aerogerador e a rede elétrica. Acessórios: Os acessórios englobam todos os itens de apoio necessários ao funcionamento do sistema eó- lico. Incluem-se transmissões, freios, embreagens, eixos, acoplamentos e mancais que não apre- sentam nenhum problema tecnológico no caso de sistemas eólicos. São considerados ainda os condutores utilizados para levar a eletricidade gerada até as bate- rias e desta para o local onde a eletricidade será utilizada. Deve ser realizada uma especificação do condutor adequado para cada trecho do sistema, levando-se em consideração a potência elé- trica que os condutores irão alimentar e o comprimento de cada circuito. O controlador de carga é um componente eletrônico instalado para controlar o limite de con- sumo de energia da bateria e o máximo de carga que a mesma pode suportar. Isto evita que a ba- teria descarregue completamente. O Inversor é um dispositivo eletrônico utilizado para a alimentação de cargas de corrente al- ternada, a partir de sistemas de fornecimento de energia em correntecontínua. Tanto o inversor quanto o controlador de carga devem ser corretamente dimensionados. A potência do inversor deverá ser maior que a soma das potências de todos os aparelhos que irão funcionar com corrente alternada. Já o controlador de carga e o banco de baterias devem ser di- mensionados de acordo com a corrente que será conduzida do sistema eólico para as baterias. 7.2 Cataventos para bombeamento de água Existe, ainda, outro modo de se utilizar da energia dos ventos para facilitar o cotidiano do ser humano, que é o caso do uso dos cata-ventos multipás para bombeamento de água. Para que haja bombeamento de água aproveitando a energia eólica, faz-se necessário adqui- rir um aerogerador multipás (por ter movimento rotatório mais lento e, conseqüentemente, um torque melhor), uma caixa de rolamentos, uma torre reforçada para fixação do aerogerador e uma bomba hidráulica. Essa bomba deve ser instalada próxima ao fluxo de água e estar acopla- da a uma haste metálica ligada diretamente ao eixo do rotor por meio de uma engrenagem. Des- ta forma, o vento, ao passar pelo rotor, possibilitará que a haste suba e desça, bombeando água para um reservatório,conforme mostra a figura 7.5. Toda vez que o vento passa por um catavento, sofre uma pequena mudança em sua direção. Assim, surge uma força que faz com que o catavento gire e, através de uma chapa circular de me- 42 43 Fig. 7.5 – Demonstração do sistema eólico no bombeamento Legenda: 1 – Rotor eólico 2 – Manivela 3 – Mecanismo de controle 4 – Haste de acionamento da bomba 5 – Bomba a pistão 6 – Poço 7 – Válvula de pé 8 – Tubo de recalque 9 – Caixa d`água EXEMPLO: Um determinado fazendeiro necessita abastecer, em sua proprieda- de, um reservatório com 5.760 litros de água por dia, ou seja, 4 litros por minuto e, esse reservatório está localizado a 20m de altura em relação ao solo. Sabe-se que na propriedade há um morro próximo a um fluxo de água e que a velocidade do vento encontrada é de 4m/s. Verificar se este vento é suficiente para a instalação de um aerogerador para bombear água (figura 7.6). A solução para este problema é bas- tante simples. Neste tipo de uso do aero- gerador, faz-se necessária a aquisição de sete componentes que são a bomba hi- dráulica a pistão; dois eixos para transmi- tir a potência eólica à bomba hidráulica; um disco e uma alavanca articulada para unir os dois eixos; dois tubos de aço para a captação e elevação da água. Para saber se o vento é suficiente para atender a necessidade da propriedade, ou seja, se existe potência eólica satisfató- ria para fazer funcionar a bomba hidráu- lica, considerando uma área de rotor 2igual a 1m , torna-se necessário proceder da seguinte forma: a) calcular a potência mecânica Pm, em Watts, para bombeamento de água. A potência mecânica necessária da bomba hidráulica pode ser obtida fazendo a multiplicação entre a vazão Q, a altura de bombea- mento H e uma constante que é conhecida como K, como demonstrado abaixo: Pm = K x Q x H O valor de K se relaciona com as condições mecânicas de instalação do eixo, polias e correias, variando entre 6 e 10. Usualmente o valor adotado é 7, levando em consideração a eficiên- cia do equipamento mecânico, ou seja, a capacidade do eixo, polias e cor- tal, dotada de um braço articulável também de metal, acione uma bomba hidráulica que está localizada na base de uma haste metálica. A bomba hidráulica possui um pistão com formato circular montado dentro de um cilin- dro, que sobe favorecendo a abertura da vál- vula 1, enquanto a válvula 2 permanece fecha- da, permitindo assim o enchimento do cilindro com água. Quando o cilindro desce, a válvula 1 se fecha e a válvula 2 se abre, permitindo que a água escoe para os encanamentos até o reser- vatório. Este movimento é cíclico, figura 7.7, por isso o reservatório permanece sempre com água. A seguir teremos como exemplo o caso do uso do cata-vento multipás para bombeamento de água. Figura 7.6 – Sistema eólico para bombeamento de água 44 Fig. 7.7 – Funcionamento da bomba hidráulica a pistão utilizando energia eólica EX ER CÍ CI OS 45 reias de transformar a energia de movimento do rotor da turbina eólica em energia de movi- mento da bomba hidráulica. Assim, para cada 100W que a turbina eólica fornece, somente 70W são aproveitados para o bombeamento. Substituindo as letras pelos valores do problema obtêm-se a potência mecânica Pm, como de- monstrado abaixo: Pm = 7 x 4 x 20 Pm = 560 W b) Determinar a potência eólica necessária ao aerogerador. Para encontrar a potência eólica que será ne- cessária para o funcionamento do aerogerador, torna-se fundamental conhecer a velocidade do vento no local. De acordo com os dados do problema, tem-se 4m/s como velocidade do 2vento local e 1m de área do rotor. Consultan- do a tabela 7.1 percebe-se que a potência eólica disponível é de 28 kW. A potência obtida para a turbina eólica é igual a 28 kW e, pelos cálculos, a potência mecâ- nica necessária para acionar a bomba hidráuli- ca é igual a 560 W, portanto, há potência eólica mais do que suficiente para atender as necessi- dades da propriedade. Seguem algumas noções simples sobre a instalação de um aerogerador. 7.3 – Guia para instalação de um aerogerador Para instalar um aerogerador há necessidade de determinar o potencial eólico e verificar as condições do terreno, que podem comprometer a direção e permanência do vento. O potencial eólico é obtido a partir da caracterização do vento local quanto às suas características, que são: ?Direção; ?Velocidade; ?Periodicidade; e ?Potência disponível, em Watts ou kW. Conhecendo o que se quer avaliar, torna-se necessário adquirir os seguintes materiais: ?Um anemômetro; ?Um cata-vento; e ?Uma haste metálica para a fixação do aerogerador, com comprimento correspondente a me- lhor medida da velocidade do vento encontrada. Em seguida, deve-se proceder da seguinte forma: o1 ) Escolher, ao longo da propriedade, diferentes pontos para medir a velocidade e direção do vento, dando preferência aos pontos localizados distantes de obstáculos que prejudiquem a ação do vento como, por exemplo, morros, barrancos altos, árvores com grande altura, mata muito fechada. o2 ) Obter a velocidade do vento usando um anemômetro. o3 ) Anotar os valores indicados pelo anemômetro e, também, a direção do vento (de acordo com os pontos cardeais). o4 ) Determinada a velocidade pode-se obter, aproximadamente, a potência que será forneci- da, considerando a área do rotor do aerogerador. A tabela 7.1 apresentada anteriormente indica as potências por área em relação à velocidade do vento num rotor, onde a velocidade na extre- midade da hélice é 5 vezes maior que a do vento. Essa velocidade só tem valor para máquinas eó- licas de eixo horizontal com 3 ou 4 pás. 2 Para instalar um aerogerador, com área de 1m e potência mínima de 4 kW, é necessário que o valor da velocidade do vento seja igual ou superior a 2 metros por segundo, para início de seu funcionamento. Por causa da variação climática, a velocidade do vento no decorrer do ano não é sempre a mesma. Portanto, recomenda-se coletar a maior quantidade de dados durante as diferentes esta- ções do ano, para obter um resultado mais confiável. Desta forma, torna-se aconselhável fazer 4 medições diárias, isto é, uma no início da manhã, uma ao meio dia, outra no fim da tarde e a últi- ma a noite, durante o período de um ano, para que se possa chegar a uma caracterização do ven- to local. Tendo dúvida em algum procedimento, recomenda-se contatar ou chamar pessoal técnico especializado. Velocidade do vento, em m/s 2 3 4 5 6 7 8 Potência por área do 2rotor, em kW/m 4 12 28 55 96 152 227 2Tabela 7.1 – Potência gerada por m em relação a velocidade do vento 1046 47 Bibliografia Agroenergia: fundamentos sobre o uso da energia no meio rural - Geraldo Lúcio TiagoFilho, Eliane Framil Ferreira. – Itajubá – MG – 2002. http://ventcourtois.com/reportages/cayeux_2005/photos/pipa.jpg http://www.genxdigital.com/images/satelite.jpg http://www.torresolar.com.ar/espanol/productos/solar/inversores/dr.htm http://www.ingesol.com/favorite.htm http://www.solener.com http://www.vicosa.com.br/meteoro/anemometro_concha.htm http://www.r-p-r.com/anemometer.htm http://www.hobbys.com.br/acessorios_diversos.htm www.unilink.it/Portals/ http://www.versiani.com.br/site11/img_030.htm http://www.unb.br/fav/renova/ENEEOLICA.htm www.eolica.com.br/energia www.aneel.gov.br www.gurelur.org/eolica.htm http://fondosescritori.coolfreepages.com/barcos/tapices_wallpapers1.htl http://elfwood.lysator.liu.se/art/a/r/arne/vikings.jpg.html www.cataventosdonordeste.com.br/ www.bellera.org/molins/aerogeneradors_savonius.htm www.aondevamos.eng.br http://www.guanaquin.com/eco/2002/290902/eolica.shtml http://expo.eolica.tv/index.php?module=articles&func=view www.castrotur.com.b www.cataventoskenya.com.br/ cataventos.html http://www.allemano.it/it/anemomet.php 48
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