Aula 2 eolica

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Energia Eólica
Professora: Antonia Alice Macêdo Soares
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Energia Eólica:Analisando o Potencial Eólico Brasileiro´́́́́́́́́
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Alguns pontos importantes:
- Antes da instalação de um parque eólico em determinada localidade, um parâmetro que
influencia nos recursos disponíveis, vai nos dizer se aquele local tem potencial para gerarenergia eólica ou não. Velocidade do Vento
- Para a correta avaliação do comportamento do vento, em geral são feitas medições aolongo de pelo menos, um ano. A medição da velocidade do vento é feita utilizando-seanemômetros.
Fatores que influenciam na velocidade do vento: Relevo, rugosidade, sazonalidade.
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Alguns pontos importantes:
- O potencial eólico de uma região pode ser classificado como:— Baixo: velocidade menor que 5 m/s ou densidade menor que 200 W/m²— Médio: velocidade entre 5 - 6,5 m/s ou densidade 200 - 300 W/m²
— Alto: velocidade maior que 6,5 m/s ou densidade maior que 300 W/m²
— Para um parque eólico ser considerado tecnicamente viável, a velocidade média dovento deve ser, pelo menos , de 7 a 8 m/s (50 metros) Em projetos de grande escala,essa velocidade pode variar entre 6,5 a 7,5 m/s, para ser considerado economicamenteviável.
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Onde é possível visualizar dados de vento de uma determinadaregião?
Sites como o Cresesb:1º Acesse: https://cresesb.cepel.br/.
2º No lado esquerdo da tela, passe oumouse sobre potencial energético eselecione a opção potencial eólico.
3º Utilize os dados de latitude elongitude de um local para obter asinformações.
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Analisando uma localidade
1. Acesse o site do CRESESB atlas eólico e insira ascoordenadas geográficas da praia de Paracuru - CE. Emseguida, responda:a) Qual a velocidade média anual do vento na localidade?b) Qual o período com maior velocidade média?c) Qual a densidade de potência média anual?
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Interpretação e Análise de Dados1. Acesse o Atlas Eólico Interativo do site do CRESESB. Escolha duas regiõesdo Brasil e compare o potencial eólico de cada uma. Qual das regiões apresentamaior potencial eólico? Quais fatores podem justificar essa diferença?
2. Consulte o mapa de classes de vento a 100m de altura. O que significa umaregião estar classificada como Classe 4 ou Classe 6 em termos de viabilidadepara implantação de parques eólicos?
3. Pesquise a velocidade média do vento em determinada cidade ou região. Avelocidade média do vento é suficiente para gerar energia de formaeconomicamente viável? Justifique com base nos dados e nos critérios técnicos.
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Energia eólica no Brasil e no Mundo´́́́́́́́́
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Energia eólica no mundo
– A energia Eólica se refere a capacidade dos ventos de realizarem trabalho. Éum recurso energético que contém grandes quantidades de energia,inesgotável, limpa e renovável– Ocorre conversão da energia cinética em outra forma de energia.– A aplicabilidade da energia eólica vem sendo realizada à anos.
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Energia eólica no mundo
Moinho multi pásamericano (progresso)–Utilizados quase queexclusivamente para obombeamento de água emcomunidades rurais.
Moinhos de vento Idademédia)– possuíam desenhosbastante detalhados à baseera construída de pedra, atorre em madeira e pás quechegavam a 30m dediâmetro.
Panêmonas Chinesas(início)– cataventospara moer grãos,bombear água etransportar mercadoriasem barcos à vela.
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– Aerogerador para a Energia Elétrica
1888 - Charles F. Bruch, ergueu (Clevenland - EUA) o primeiro cataventodestinado à geração de energia elétrica. Fornecia 12 kW em corrente contínua paracarregamento de bateria
1897 - 1904 - Foram construídas, na Europa, mais de 70turbinas com potências em torno de 75 kW.
1920 - Produção de mais de 100.000 unidades, nos EUA,com tecnologia de asas de aviões
de 350 lâmpadas incandescentes. AEROGERADOR
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– Aerogerador para a Energia Elétrica
1927 - Na França Darrieus desenvolveu sua turbina deeixo vertical
1931 - O aerogerador balaclava, era um modelo avançado.GRANDE PORTE, de100 kW conectado por uma linhade transmissão , a uma usina termelétrica.
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– Conexão com a Rede Elétrica
1941 - Os EUA desenvolveu um projeto de construção do maior aerogerador atéentão projetado, que funcionava em corrente alternada , conectado diretamente àrede elétrica local.
1952 - Elaboração do MAPA EÓLICO
1957 - Surgiu o aerogerador Gedser, com potência de 200kW, uma plantaaltamente instrumentada, apresentava três pás e era sustentado por uma torre deconcreto.
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Você percebeu que ao longo dos anos a altura dos aerogeradores e suas pásvão ficando cada vez maiores? Qual tamanho de pás teremos no futuro?
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– Energia Eólia no Mundo
Em termos globais, a evolução da capacidade instalada no início deste séculoapresentou significativo crescimento, partindo de 24 GW em 2001 para 539 GW em2017.
China - maior mercadomundial, com 35% departicipação e seguidopor EUA e Alemanha.
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– Energia Eólia no Brasil
– A geração de energia eólica no Brasil não seguiu a tendência mundial de perto.
– 1992: Instalação da primeira turbina em sistema isolado em Fernando deNoronha.– Por anos, poucos fabricantes e integradores estavam presentes no Brasile nem todos ofereciam contratos que incluíam a operação e manutenção dosparques.– A realização de leilões possibilitou a entrada de novos fornecedores e aredução dos preços dos equipamentos e da instalação, a fonte se tornoualtamente competitiva no mercado nacional
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– Energia Eólia no Brasil
– Nos últimos anos, a energia eólica apresentou crescimento significativo nomercado elétrico brasileiro.
Ano Fonte Capacidade
2009 CBEE 606 MW
2013 Abeeólica 2.693 MW
2017 GLOBAL WIND ENERGYCOUNCIL 12.793 MW
2024 GLOBAL WIND ENERGYCOUNCIL 30,45 GW
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– Energia Eólia no Brasil
– Em 2012, o Brasil ocupava a 15º posição.
– Em 2023, foi o terceiro com maior número deinstalações
– O setor vem crescendo de forma sustentada eeficiente e com grande importância para amatriz elétrica brasileira.
Posição País
CapacidadeinstaladaOnshore(GW)
1 China 403,33
2 EUA 150,43
3 Alemanha 61,14
4 Índia 44,74
5 Espanha 30,56
6 Brasil 30,45
7 França 22,00
8 Canadá 16,99
9 Suécia 16,25
10 ReinoUnido 14,87
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Fonte: GLOBAL WIND REPORT, 2024
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– Capacidade instalada
´
Fonte: GLOBAL WIND REPORT, 2024
Dados divulgados no Global Wind Report do GWECtambém mostram que, pelo segundo ano consecutivo, opaís foi o terceiro que mais instalou eólicas no ano.Globalmente, a indústria eólica instalou um recorde de117 GW em nova capacidade no ano de 2023
31 GW, mais de 1000 parques eólicose mais de 11000 aerogeradores.
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– Apoio Governamental Mundial ao uso da Energia Eólica
PolíticasPúblicas IncentivosEconômicosColaboraçõesInternacionais
– Iniciativas Internacionais e cooperação regional:
“Diversos países têm colaborado em iniciativas regionais para impulsionara energia eólica. Por exemplo, nove países europeus realizaram uma cúpulacom o objetivo de aumentar a geração de energia eólica no Mar do Norte,comprometendo-se a atingir capacidades de 120 GW em 2030 e 300 GW em2050”.
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– Setor Mercadológico
Perspectivas (Oportunidades) Adversidades (Desafios)
– Crescimento contínuo da demanda porenergia limpa– Avanços tecnológicos– Potencial offshore (parques no mar)– Investimentos privados e internacionais– Geração de empregos edesenvolvimento regional– Integração com outras fontes renováveis
– Intermitência dos ventos– Limitações da infraestruturaelétrica– Licenciamento ambiental e social– Custos logísticos– Competição com outras fontes– Capacitação profissional
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– Vantagens e Desvantagens
Vantagens Desvantagens
É uma fonte de energia segura e renovável.• Não causa danos ao meio ambiente, quandocomparado com as outrasfontes de geração de energia.• Ocupa pequenas áreas.• Gera grande quantidade de energia elétrica.• A área pode ser utilizada para agricultura epecuária.• Tempo rápido de construção.
Poluição sonora.• Interferência em sistemas detelecomunicações (interferênciaseletromagnéticas).• Considerável efeito visual epaisagístico.• Efeito de sombras em movimento emortalidade de aves em zonas deimigração causada
pelas pás emmovimento.
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Aerogeradores- Evolução tecnológica
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– Turbina Eólica
• Equipamento que converte aenergia cinética do vento emenergia elétrica.
o sistema utiliza o vento para moverum rotor, que por sua vez, gira umgerador que produz eletricidade.
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Desde o início do desenvolvimento das turbinas eólicas, diversas configuraçõesforam propostas e construídas
1888 1891 1931 1942 1958 .
– Evolução das Turbinas Eólicas
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Existe uma variedade de turbinas eólicas desenvolvidas para se extrair a energiados ventos e transformá-la em energia elétrica e, por conseguinte, as turbinaseólicas podem ser classificadas de diversas formas.
• orientação do eixo rotativo das pás;• turbinas com uma e duas pás;• sentido do fluxo de ar com relação ao rotor;• potência da turbina;• utilização ou não de caixa de engrenagens;• instalação em terra ou no mar; e• conectada ou não à rede elétrica.
– Classificação das Turbinas Eólicas
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– Orientação do eixo rotativo das pás
Turbinas de eixo horizontal - são máquinasbaseadas em sustentação que operam de formasemelhante a uma hélice de avião em marcha à ré(KOZAK, 2014).
Turbinas de eixo vertical - apresentam o eixo derotação perpendicular ao terreno onde sãoinstaladas. Raramente são utilizadas em aplicaçõesde grandes potências (operam em velocidades maisbaixas).
Turbinas de eixo horizontal Turbinas de eixo vertical
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– A maioria das turbinas eólicas modernas possui o rotor aerodinâmico compostopor três pás.
– O aumento do número de pás em um rotor aerodinâmico afeta propriedadescomo eficiência da turbina, solicitações mecânicas da torre, além de poluiçãosonora e visual.
– Turbinas com uma e duas pás
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• Foram desenvolvidas diferentesconfigurações de turbinas e houve umagrande consolidação das turbinas eólicasde eixo horizontal com três pás igualmenteespaçadas.
• A todo este conjunto composto de turbina,nacele, torre e transformador chamamos deaerogerador
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As vantagens na utilização de turbinas eólicas de eixo horizontal em relação àsde eixo vertical incluem:
• controle do ângulo de ataque das pás, possibilitando controlar a velocidade dorotor, a saída de potência e a proteção contra o excesso de velocidade;• a flexibilidade no projeto de formatos das pás do rotor, que pode ser otimizadoaerodinamicamente, possibilitando maior eficiência;• avanços tecnológicos no desenvolvimento em projetos de pás;• acesso a ventos de maiores velocidades devido à altura da torre; e maioreficiência, uma vez que as pás estão posicionadas perpendicularmenteao vento.
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As desvantagens na utilização de turbinas eólicas de eixo horizontal em relação àsde eixo vertical incluem:
• maiores dificuldades de instalação, pelo fato de a maioria dos equipamentosestarem instalados no topo da torre;• maiores dificuldades de logística dos equipamentos;• necessidade de um sistema de controle para girar as pás em direção ao vento;• construção mais complexa da torre para poder apoiar o peso de todo oaerogerador.
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De acordo com a configuração do rotor em relação ao fluxo do vento, as turbinaseólicas de eixo horizontal podem ser classificadas como upwind ou downwind.
– Sentido do fluxo de ar com relação ao rotor
A maioria das turbinas eólicas de eixohorizontal utilizadas hoje em dia são turbinasupwind, e portanto, é necessário um controle ativopara a orientação do rotor em relação ao vento.
Para uma turbina do tipo Downwind, ovento passa primeiro através da nacele e torre edepois chega às pás. Exige pás mais flexíveis, geraruídos que dificultam a autorização e aceitação dessetipo de turbina.
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– As turbinas eólicas podem ser divididas em várias categorias amplas, tendoem vista suas capacidades nominais de potência:
– Potência da turbina
Potência nominal Categoria
≺ 75 kW
≺ 100 kW100 kW - 1MW1 MW - 10 MW
≻ 10 MW
micropequenamédiagrandeultra grande
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Com relação a transmissão em um sistema gerador de energia eólica, turbinaseólicas podem ser classificadas como:
– Grupos de acionamento por engrenagens: Adapta a velocidade do rotor àvelocidade de rotação mais elevada dos geradores convencionais. Sistema commenor custo e menor tamanho e peso do gerador. Pode ter menorconfiabilidade, comporta maior perda de energia mecânica.– Grupos de acionamento direto: melhor em termos de eficiência energética,confiabilidade, simplicidade. Requer um gerador de maior custo, peso evolume.
– Utilização ou não de caixa de engrenagem
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A distribuição: Datorre, a energia seguepara o edifício decomando e subestaçãodo parque eólico. - Pormeio de linha detransmissão, a energiasegue para o subestaçãocoletora mais próxima, ede lá é jogada no sistemada rede básica deenergia.
Os dois tipos de projetospossuem vantagens edesvantagens e a decisão deutilizar o multiplicador oufabricar um aerogerador semcaixa de transmissão équestão do fabricante.
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As turbinas eólicas também podem ser classificadas com relação ao local deinstalação, como:
– Turbinas terrestres e marítimas
Onshore (em terra) : a produção de energiaelétrica por meio dos ventos dos parqueseólicos localizados em terra. Em locais comboa ocorrência de ventos.
Offshore (no mar): Instalados em alto mar,distantes da costa. Tem uma boa produtividadedevido aos ventos mais fortes e constantes.Podem ser maiores e mais potentes.
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Complexo estrutural (diversos equipamentos oucomponentes) que tem incubência de aproveitaro ar atmosférico em movimento à partir de umterritório terrestre de uma determinada região.
– Pontos pertinentes:• Impacto ambiental• Potencial energético da zona• Variação espacial, temporáriade vertical do vento ao longo de anos
– Parques eólicos Onshore:
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Assim como o território terrestre, as superfíciesde mares também apresenta sua potencialidadeem termos de aproveitamento energético(promovendo geração de energia elétrica).Podem ser classificados em:
– Aerogeradores fixados no fundo de mar:ficam próximas a costa e em uma profundidadepequena– Aerogeradores flutuantes: mais adequados paraaltas profundidades
– Parques eólicos Offshore:
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Conectadas à rede (on grid):
A maioria das turbinas eólicas de tamanho médio e em partes, as de grande porte são usadasem aplicações vinculadas à rede elétrica. Vantagem: não necessita de baterias para oarmazenamento da energia elétrica produzida.– Utilizam grande número de aerogeradores.
– Turbinas conectadas à rede ou fora da rede
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Isoladas da rede (off grid):
Antes da regulamentação da microgeraçãode energia elétrica, a maioria das pequenasturbinas eólicas não estavam conectadas àrede elétrica. São usados de forma híbridacom baterias, geradores e a diesel.
– Turbinas conectadas à rede ou fora da rede
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– Turbinas conectadas à rede ou fora da rede
A decisão depende defatores como localização,orçamento, metas de energiae preferências de estilo devida. Uma consideraçãocuidadosa ajudará você afazer uma escolhainformada entre um sistemade turbina eólica fora darede e um sistemaconectado à rede.
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– Segundo os dados da Agência Nacional de EnergiaElétrica (Aneel), o país encerrou 2024 com 32 GW depotência operacional por aerogeradores, volume quetorna a energia eólica a terceira maior fonte na matrizenergética brasileira.– Ao todo, 14 estados brasileiros detêm a produção noBrasil atualmente, com os maiores deles localizados naregião Nordeste.
– Informações:
– O Brasil apresenta um enorme potencial eólico, estimado em aproximadamente 500 GW, masque começou a ser explorado há pouco tempo.– Hoje, quase toda a produção de energia eólica no Brasil vem dos grandes parques (usinas deenergia eólica) instalados na Região Nordeste do país.
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Conversão energética
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– Transformação da energia eólica em energia elétrica
O processo de conversão energética é baseado no princípio da conservação deenergia, que afirma:Qualquer energia pode ser transformada ou transferida, mas nunca criada oudestruída.– No caso da produção de energia elétrica em um aerogerador, depende de duasetapas de conversão de energia.
1. Interação das pás e
do rotor eólico (turbina) com o ventoOcorre a transformação da energia cinética do vento em enegia mecânica noeixo do rotor2. O gerador recebe a energia mecânica e a converte em energia elétricaPosteriormente é trasnmitida para a rede da concesionária.
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– Transformação da energia eólica em energia elétrica
Etapas de transformação de energia, bem como os demais sistemas envolvidosem todo o conjunto que compõe o aerogerador.
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– Transformação da energia eólica em energia elétrica
Como já visto anteriormente, a potência disponível no vento é dada por:
Exercício1
𝑷= 𝝆𝑨𝝊³
𝟐
Onde:P é a potência (W)
𝝆 densidade de ar (1,225 kg/m³)
𝝊 a velocidade (m/s)A é a área da seção transversal (m²)
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– Conversão de energia
A potência dada anteriormente é a disponível no vento. Mas, quanto de potênciamecânica pode ser extraída do fluxo livre de uma turbina eólica? A Figuraabaixo ilustra o fluxo de ar através de uma turbina eólica de eixo horizontal. Avazão do ar pode ser representada pelo tubo de vazão mostrado na figura.
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– Conversão de energia
Considerando a lei de fluxo de continuidade de Bernoulli, onde a massaespecífica do ar é constante para velocidades abaixo de 100m/s, temos que:
Q = 𝑨𝝊 = 𝑨𝟏𝝊𝟏 = 𝑨𝟐𝝊𝟐 Onde:Q é o fluxo de massa de ar (m³/s)
𝝊 a velocidade do vento na entrada da turbina (m/s)A é a área da seção transversal do tubo de vazão do vento antesda turbina (m²)
𝝊1 a velocidade do vento livre antes da turbina (m/s)A1 é a área da seção transversal do tubo de vazão do ar naentrada do rotor da turbina (m²)
𝝊2 a velocidade do vento na saída da turbina (m/s)A2 é a área da seção transversal do tubo de vazão do ar na saídado rotor da turbina (m²)
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– Conversão de energia
Ao produzir a energia cinética mecânica por meio doaproveitamento de parte da energia cinética do vento, a turbinaeólica provocará a redução da velocidade do vento na saída dorotor. Isto resultará no aumento do diâmetro do tubo de vazão,que ilustra a lei de conservação do fluxo de massa dada pelaequação Q = 𝑨𝝊 = 𝑨𝟏𝝊𝟏 = 𝑨𝟐𝝊𝟐Portanto, a potência do vento extraída pela turbina eólica é adiferença entre a potência do vento na entrada e na saída daturbina eólica: P = P1 - P2
P é a potência extraída do vento pela turbina eólica (W)P1 é a potência disponível no vento livre antes da turbina (W)P2 é a potência disponível no vento na saída da turbina (W)
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– Conversão de energia
Assim temos:– A potência eólica disponível no vento
– Por analogia, as potências disponíveis no vento antes e depois da turbina sãodadas por:
𝑷= 𝝆𝑨𝝊³
𝟐
𝑷1=𝝆𝑨𝝊³
𝟐
𝑷2= 𝝆𝑨𝝊³
𝟐
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Exercício2
Logo, a potência extraída do vento por uma turbina eólica (P )é a quantidadede energia mecânica que a turbina consegue capturar da força do vento etransformar em energia útil, geralmente energia elétrica.
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– Conversão de energia
Limite de Betz: Vai indicar um limite máximo para uma potência máxima que pode ser extraídado vento por uma turbina eólica.
De acordo com esta lei, a velocidade do vento na saída daturbina eólica, não pode ser inferior a 1/3 da velocidade dovento livre antes da turbina.
Neste caso, o rotor absorve ao máximo a energia equivalente a2/3 da energia disponível do vento livre antes da turbina.
Em termos de potência máxima extraída do vento, temos:
A lei de Betz estabelece um limite:- Nenhuma turbina pode capturar maisde 16/27 (59,3%) da energia cinética novento.-O fator 16/27 (0,593) é conhecido comocoeficiente de Betz. Turbinas eólicaspráticas em escala útil atingem, nomáximo, 75% a 80% do limite de Betz.
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Obrigada pela atenção!Bons estudos!