Energia Eólica

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aula 03: en󰈩󰈸󰈈󰈏a 󰈩ól󰈏󰇹a
O vento e suas características
NOTA: O vento pode ser definido como o ar em
movimento pela superfície da Terra e sua formação
tem como causas o aquecimento e a rotação do
planeta. Os ventos podem ser classificados como de
circulação global e/ou local.
1.1 Ventos de circulação global
⚐ Estes são o resultado das variações de pressão,
temperatura e densidade causadas pelo aquecimento
desigual da Terra, que pode ser devido à distribuição
geográfica, período do dia e sua distribuição anual.
⛚ O vento é produto da luz solar!
O ar é uma mistura de gases, partículas sólidas e
líquidas. O ar frio contém mais partículas do que o
ar quente.
O ar frio é, portanto, mais pesado e mais denso,
então realiza movimento descendente (↓) na
atmosfera, criando áreas de alta pressão.
Ao contrário, o ar quente sobe pela atmosfera, criando
áreas de baixa pressão. Esse ar ascendente puxa o ar
mais frio do ambiente, pois o ar flui naturalmente da
área de alta pressão para a de baixa e esse
movimento é conhecido como vento.
☩ A atmosfera transporta calor por todo o globo,
mas as características atmosféricas atuais impedem
que o calor seja transportado diretamente do Equador
para os polos.
Atualmente, existem três células de ventos (células de
Hadley, de Ferrel e polares), as quais dividem a
Troposfera em regiões de circulação de vento
essencialmente fechadas. Como resultado, o ar quente
não chega aos polos.
A primeira, e maior célula, é a célula de Hadley, que
se estende desde a linha do Equador até 30 e 40
graus para o Norte e para o Sul. Nessa região, os
ventos assumem a direção ascendente e formam
nuvens espessas de tempestade, denominada Zona de
Convergência Intertropical. Do topo dessas
tempestades, o ar flui para as latitudes mais altas, e à
medida que o ar desce, fica mais quente e seco. Isso
cria uma área com poucas nuvens e pouca chuva,
onde os desertos são localizados.
Na célula do meio, a de Ferrel, encontrada em
latitudes mais altas, entre 30 e até 60 e 70 graus, o
ar na superfície flui em direção aos polos, ou seja, ou
seja, se move na direção oposta às da célula de
Hadley. O ar converge em baixas altitudes para
ascender ao longo dos limites entre o ar polar frio e o
subtropical. O ar mais quente dos trópicos é mais
leve do que o ar polar frio e denso e, portanto, sobe
quando as duas massas de ar se encontram.
A menor e a mais fraca dentre as três são as polares,
que se estendem entre 60 e 70 graus ao Norte e ao
Sul, até os respectivos polos. Neles, o ar é resfriado e
desce em direção ao solo formando áreas de alta
pressão, conhecidas como alta polar, fluindo para as
latitudes mais baixas.
☩ A variação sazonal dos ventos é devida à
inclinação do eixo da Terra em relação ao seu plano
do movimento em torno do Sol. Como a radiação solar
é maior por unidade de área quando o Sol está
diretamente acima, o calor é transportado das regiões
próximas ao Equador em direção aos polos.
1.2 Ventos de circulação local
⚐ Ocorrem devido às diferenças de pressão local e
são influenciados pela topografia, atrito com a
superfície, devido montanhas e vales.
A diferença de temperatura entre a terra e o mar
causam brisas. Em locais onde a terra quente e o mar
frio se encontram, a diferença de temperatura cria
efeitos térmicos que causam brisas marítimas locais.
- Efeitos dos ventos locais nas brisas marítimas
e terrestres em uma região litorânea
A ilustração diferencia a brisa terrestre da marítima
(Land vs sea breeze). Durante o dia, a porção de
terra está mais aquecida (land warmer), e o ar
quente (warm air) se desloca em direção ao mar e
maiores altitudes, enquanto o mar está mais frio (sea
cooler) e a brisa fria do mar (cold sea breeze) se
desloca para a terra em baixas altitudes.
Durante a noite, o processo se inverte, pois a terra
está mais fria (land cooler) e o vento mais frio é da
terra em direção ao mar (cool land breeze), enquanto
o mar está mais quente (sea warmer) e a brisa
marítima, consequentemente, também está mais
quente (warm air).
⛚ Nos períodos noturnos, a temperatura é maior
em condições nubladas quando comparada com uma
noite estrelada. Durante o dia, as nuvens protegem a
superfície terrestre da luz solar direta e reduzem o
aquecimento do solo. Já à noite, as nuvens refletem
de volta a radiação de calor em direção à Terra para
mantê-la aquecida.
1.3 Velocidade e direção do vento
⚐ O vento nunca é constante em nenhum local, sendo
influenciado pelo sistema climático, o terreno local e
sua altura acima da superfície do solo. A velocidade
varia por segundo devido às turbulências causadas
pela topografia do terreno, condições térmicas e
climáticas.
A relação entre a velocidade do vento e a altura é
chamada de perfil do vento ou gradiente do vento.
Como regra, a velocidade do vento aumenta com a
altura. A velocidade aumenta mais rapidamente com a
altura nas áreas de alta rugosidade do que em um
terreno plano.
Como mostrado a seguir, desde coisas mais simples,
como o tipo de vegetação e a rugosidade do local, até
as mais complexas, como o tipo de uso da terra e
construções, levam a mudanças na fricção com a
superfície, alterando assim o perfil do vento.
Perfil do vento em campo aberto (wind profile over
open field);
Perfil do vento alterado por árvores (wind profile
altered by trees);
A velocidade do vento aumenta rapidamente com a
altura (wind speed increases rapidly with height);
Superfície efetiva do solo (effective ground surface);
Pouco ou nenhum vento (little or no wind).
1.4 Intermitência
⚐ É uma propriedade do vento resultante das
mudanças de pressão na atmosfera, sendo que em
dado momento o vento tem sua velocidade reduzida a
zero. A consequência é que às vezes haverá energia a
ser colhida com turbinas eólicas e, às vezes, não. Do
ponto de vista da energia eólica, o importante é a
frequência ou a quantidade de vento que sopra.
1.5 Cisalhamento do vento
⚐ É caracterizado por uma mudança na velocidade ou
direção do vento em uma certa distância, podendo ser
de forma vertical ou horizontal. A mudança na
velocidade do vento com a altura (cisalhamento do
vento horizontal) é um fator importante na
estimativa da produção de energia da turbina eólica.
1.6 Turbulência do vento
⚐ Quando o ar se move paralelamente ao solo, é
chamado de fluxo de vento laminar, que é o mais
adequado para gerar energia elétrica constante.
Quando esse fluxo é perturbado, denomina-se
turbulência. A turbulência natural é causada por
obstáculos/obstruções naturais. Quando o vento
atinge um obstáculo, são formadas turbulências e o
fluxo torna-se não laminar.
Potencial eólico
O principal fator determinante do potencial eólico
local é a velocidade média dos ventos, sendo esta
favorável e dependente da localização. A média
dependerá das condições de vento, bem como das
características geográficas e topográficas locais.
Com o intuito de obter informações sobre as
velocidades médias dos ventos, mapas eólicos são
disponíveis para países e regiões ao redor do mundo
Com base no atlas, percebe-se que existem regiões
privilegiadas no país, como as regiões montanhosas, a
faixa litorânea nordestina e algumas faixas
específicas ao Sul
2.1 Dimensionamento de geradores eólicos
⚐ A energia do vento gira as pás em torno de um
rotor. O rotor é conectado ao eixo principal, de baixa
velocidade. O trem de força, incluindo as engrenagens,
aumenta a velocidade de rotação e esse eixo de alta
velocidade é conectado a um gerador que gera
eletricidade. Nessa passagem pela turbina eólica,
parte da energia cinética do vento será transformada
em potência mecânica no eixo da turbina, em função
do torque e da rotação resultante.
⛚ A energia cinética de uma massa de ar em
movimento a uma dada velocidade é calculada pela
equação:
⛚ Sabendo que a taxa de fluxo volumétrica é AV
(área x velocidade), a taxa de fluxo de massa do ar
em kg/s é (densidade do ar x área), a potênciaρ𝐴
gerada por uma turbina eólica pode ser descrita pela
equação:
Onde:
- Potência eólica (W)𝑃
𝑒
- Densidade do ar (Kg/ )ρ 𝑚3A - Área varrida pelas pás do rotor ( ) - é𝑚2
delimitada por um círculo -
V - Velocidade do vento (m/s)
Cp - Coeficiente de potência do rotor (%)
A densidade o ar varia conforme a pressão e aρ 
temperatura. A densidade do ar ao nível do mar, com
pressão de 1 atm e temperatura de 15°C é de 1,225
kg/ . Usando isso como referência, é corrigido𝑚3 ρ 
para a temperatura e pressão específicas do local.
Aerogeradores
3.1 Torre
⚐ Além de elevar as turbinas eólicas a alturas nas
quais podem ser coletadas maiores energias dos
ventos, elas também são construídas para resistir às
intempéries
Atualmente, as maiores turbinas, com mais de 5 MW
de capacidade, podem atingir até 140 metros de torre.
Se considerado as pás do rotor, pode chegar aos 200
metros de altura.
3.2 Nacele
⚐ Está localizada no topo da torre, fica conectada ao
rotor e suporta vários componentes, como o gerador e
o trem de força. É dentro dela que é feita a conversão
da energia cinética em energia elétrica.
Cubo do rotor (rotor hub); caixa de engrenagens
(gear box); pás do rotor (rotor blade); gerador
(generator); nacele (nacelle); cabos de energia
(power cables); transformador (transformer).
3.3 Pás
⚐ Para maior eficiência das pás, é necessário que
suas posições sejam perpendiculares à direção em que
o vento está soprando.
3.4 Eixo
⚐ Podem ser dividas em Eixo Horizontal e Eixo
Vertical
3.4.1 Eixo Horizontal
Esse tipo de aerogerador é caracterizado por um
maior rendimento aerodinâmico do que o vertical.
As turbinas de eixo horizontal são baseadas em
modelos mais antigos. Elas são compostas por várias
lâminas que geram um torque de acionamento que
causa a sua rotação. Geralmente são usadas entre 1 e
3 lâminas.
3.4.2 Eixo Vertical
⚐ Diferentemente da anterior, nessa não há a
necessidade de sistemas de orientação das pás e
possui parte mecânica no solo.
Questões ambientais
Como pontos positivos das usinas eólicas, pode-se
destacar que o vento é uma fonte de energia gratuita
e inesgotável, e por ser renovável e limpa não emite
gases poluentes nem gera resíduos em sua operação,
contribuindo para a redução da emissão de gases de
efeito estufa