3808 (aula 6 energia eolica)

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DISCIPLINA: Energia na Agricultura
CURSO: Agronomia 
PROFESSORA: Me. Katia Zardo
katiazardo@hotmail.com
ENERGIA EÓLICA
• Esclarecer o que é Energia Eólica;
• Qual sua importância;
• Suas vantagens e desvantagens;
• Como funciona um aerogerador.
OBJETIVO
Moinhos de vento e Moinhos d’água:
A força do vento tem sido usada por milhares de anos;
Os primeiros moinhos de vento utilizavam o vento para 
moagem de grãos e também como bombas d’água para 
irrigação.
Histórico da Geração Eólica 
A geração de energia eólica teve início no final do século XIX.
As primeiras turbinas eólicas geradoras de energia elétrica foram 
construídas em 1882 por Charles Brush (EUA).
A primeira turbina eólica foi integrada à rede em 1976 na 
Dinamarca.
Capacidade eólica europeia em operação em 1996: 4.000 MW.
Capacidade eólica europeia em operação em 2001: 11.500 MW.
Capacidade eólica europeia em operação em 2009: 76.152 MW.
Histórico da Geração Eólica 
A energia eólica é um setor em rápido crescimento: >30% por 
ano;
A energia eólica se tornou um grande negócio:
Fazendas eólicas de 100 MW ou maiores;
Turbinas eólicas de 3 MW estão disponíveis comercialmente;
Mercados mais importantes: Europa, EUA, América Latina;
Energia eólica offshore se tornou um novo mercado
Histórico da Geração Eólica 
As turbinas mais modernas tiveram início na década de 40 na
Dinamarca.
A recente modernização das turbinas assim como o avanço
desta tecnologia começou no início de 1980.
Histórico da Geração Eólica 
Primeiras Turbinas Eólicas:
A potência das turbinas eólicas foi aumentada em
mais de 5 MW;
O diâmetro de alguns tipos de rotores aumentou em
120m!
A potência e o diâmetro dos rotores não
aumentam linearmente.
Histórico da Geração Eólica 
Evolução das Turbinas Eólicas Modernas:
Uma região pode ser caracterizada de acordo com a média anual
da velocidade do seu vento em uma dada altura em uma das sete
classes mostradas na figura.
Regiões com classe três ou superior são tipicamente
consideradas para o desenvolvimento da geração eólica:
Caracterização Eólica
Classes Eólicas:
O vento é o ar em movimento, provocado pelo
aquecimento desigual da terra.
Causas;
Escalas;
Tipos.
O VENTO
Os meteorologistas 
definem a direção do 
vento como aquela da 
qual o vento sopra 
A direção 
predominante 
em uma rosa 
dos ventos é 
geralmente 
chamada de 
“vento 
predominante”. 
Por exemplo, 
na rosa dos 
ventos 
apresentada ao 
lado a direção 
sul-sudoeste é 
predominante
Rosa dos ventos
O VENTO
O VENTO
o perfil 
vertical da 
velocidade 
do vento é 
afetado pelas 
mudanças na 
cobertura do 
solo e pela 
estabilidade 
térmica da 
atmosfera
A resistência do atrito reduz a velocidade do vento
próximo do solo abaixo daquela do vento de gradiente
perfil vertical da velocidade do vento 
Variação da Velocidade e Direção com a Altitude
O Vento: as escalas de movimento do ar
Escalas dos movimentos atmosféricos.
O Vento: as escalas de movimento do ar
O Vento: as escalas de movimento do ar
O Vento: as radiações solar e terrestre 
como causas do vento
O Vento: a força de coriolis
É a aceleração aparente provocada pela
rotação da terra e que tende a desviar todo
objeto movendo-o livremente.
É uma força que afeta o movimento do
vento, alterando sua velocidade, e
principalmente, sua direção.
O Vento: geostrófico
O vento geostrófico é um vento
horizontal, não acelerado, que sopra ao longo
de trajetórias retilíneas, que resulta de um
equilíbrio entre a força de gradiente de pressão
(horizontal) e a força de Coriolis.
O vento geostrófico
O Vento: ciclones e anticiclones
Um Anticlone é um centro de
pressão atmosférica em que o ar
atmosférico, mais frio e mais pesado, em
cima, desce, aumentando a pressão junto
ao solo.
Um ciclone é um centro de pressão
atmosférica em que o ar atmosférico, mais
quente e mais leve, em baixo, junto ao
solo, sobe – como o balão de ar quente –
baixando a pressão junto ao solo.
O Vento: a circulação geral
A circulação 
geral consiste no 
movimento do ar à 
escala planetária, 
tendo como objetivo 
uma 
REDISTRIBUIÇÃO 
DE ENERGIA E 
HUMIDADE.
A redistribuição da energia e da humidade é
completada pela circulação geral dos oceanos;
São sistemas de circulação primária que
ocorrem de uma forma persistente e em grande
escala;
Os fluxos básicos que mantém os sistemas
climáticos são:
O Vento: a circulação geral
O Vento: a circulação secundária
Circulações secundárias ocorrem se centros de
alta ou baixa pressão são causados pelo
aquecimento ou resfriamento da atmosfera
mais baixa.
Incluem:
Furacões;
Monções;
Ciclones Extratropicais.
Circulação secundária: furacões
Furacões são definidos como ciclones tropicais
com velocidades de vento superficiais
excedendo 80 m/s;
Seus diâmetros são normalmente em torno de
várias centenas de quilômetros;
A profundidade da atmosfera envolvida é em
torno de dez quilômetros;
Eles capturam sua energia do calor latente
liberado pela condensação do vapor de água.
Circulação secundária: furacões
Circulação secundária: Monções
Durante o verão o continente asiático é aquecido
consideravelmente, enquanto que durante o inverno
ele está sujeito a um resfriamento forte.
No inverno, o ar nas camadas mais baixas é mais
pesado, criando uma zona de pressão alta sobre
toda a Ásia.
No Verão, as massas terrestres são aquecidas
fortemente, criando pressão baixa.
Circulação secundária: Monções
Circulação monção é causada por essas
diferenças de pressão.
Circulações Terciárias
Estas são circulações de pequena escala, mais ou
menos localizadas, caracterizadas por ventos locais.
Incluem:
Brisas Oceânicas e Terrestres;
Ventos de vale e montanha;
Fluxo Tipo-monção;
Ventos Foehn;
Temporais;
Tornados.
Potência do Vento
Fator padrão de energia;
Estimativa do potencial eólico;
Histograma, frequência e curvas de duração da
velocidade do vento;
Potência do Vento
Potência do Vento
A velocidade do vento
varia ao longo do dia,
do mês, do ano, e até
ao longo dos anos.
Sua variação no tempo
é a principal
característica a ser
determinada.
Estimativa de Potência do Vento
Mapa de Ventos do Brasil
O Centro Brasileiro de Energia Eólica (CBEE), com apoio da
ANEEL e do Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT),
desenvolveu um estudo para avaliar o potencial eólico brasileiro
e, em 2001( Atlas do Potencial Eólico Brasileiro).
O potencial eólico no Brasil é da ordem de 147.500 MW, para
ventos com velocidade média superior a 7,5 m/s (Amarante,
Brovver, Zack e Sá, 2001).
A grande desvantagem desse tipo de energia é que os centros
de demanda necessitam de sistemas alternativos de produção
para os períodos de calmaria.
Mapa de Ventos do Brasil
Um mapa de vento 
preliminar do 
Brasil, gerado a 
partir de 
simulações 
computadorizadas 
com modelos 
atmosféricos é 
mostrado na figura 
ao lado.
Potencial Eólico do Brasil – superior a 143.000 MW
Energização Rural – Sistemas Convencionais e Alternativos – FCA/2004
Turbinas Eólicas
Desde a década de 1970, pequenas e modernas
turbinas de vento estão sendo implantadas. A experiência
tem mostrado que essas turbinas podem produzir energia
a custos razoáveis em áreas onde a velocidade do vento
varia de 25 km/h a 50 km/h.
A primeira turbina eólica com capacidade para geração
comercial de energia elétrica foi ligada à rede pública em
1976, na Dinamarca (ANEEL, 2002).
Turbinas Eólicas
Lâmina do 
rotorComponentes
Rotor
Embreagem
Torre
Fundação
Contrôles
Gerador
Tipos
Eixo horizontal
Mais comum
Controles ou 
desenho 
movimentam o 
rotor contra ovento
Eixo vertical
Menos comum
Turbinas Eólicas
Turbinas eólicas de eixo vertical e horizontal.
Diferenças entre as turbinas 
horizontais e as verticais
HORIZONTAL:
Precisa apontar para o vento.
Alta velocidade na ponta da pá.
Maior eficiência.
Pode ser bem mais larga que a vertical.
VERTICAL:
Não precisa apontar para o vento.
Os componentes mecânicos e elétricos podem ser localizados no 
solo.
É menor e utiliza ventos de níveis inferiores.
Mais apropriado para modelos menores e montagens em edificações.
Turbinas Eólicas
De acordo com a
orientação do eixo as turbinas
são classificadas em turbinas
de eixo horizontal (HAWT –
horizontal axis Wind turbines)
e turbinas de eixo vertical
(VAWT – vertical axis Wind
turbines).
Na figura são mostrados
algumas turbinas para
ilustração.
Turbinas Eólicas
Área de giro
das lâminas Diâmetro do 
Rotor
Diagrama Esquemático de Turbina com Eixo Horizontal
Fundação 
(vista lateral)
Ligações elétricas subterrâneas
(vista frontal)
Nascele com 
embreagem e 
Gerador
Torre
Altura do 
rotor
Lâmina do 
rotor
As horizontais
são as mais difundidas
no mercado, e têm como
característica principal a
necessidade de um
sistema de controle para
posicionar o rotor na
direção predominante de
vento.
Visão Geral das Turbinas Eólicas
Existem dois tipos de mecanismos
de acionamento de turbinas
eólicas, as acionadas por arraste,
onde o vento empurra as hélices,
ou elevação, onde as hélices
atuam de modo parecido com as
asas de um avião.
As turbinas que funcionam por
elevação trabalham com maior
velocidade de rotação e são mais
eficazes.
Princípio aerodinâmico da turbina eólica
Visão Geral das Turbinas Eólicas
No sistema em arraste a velocidade máxima é a mesma
dos ventos (TSR – Tip Speed Ratio), assim a velocidade
das pás nunca supera a dos ventos, assim a TSR é
sempre menor ou igual a 1.
Assim temos uma forma de determinar se uma turbina
eólica de eixo vertical é baseada em arraste ou elevação.
Se a TSR for maior que 1, significa alguma quantidade de
elevação, enquanto abaixo de 1, maior ênfase em
arraste.
Os projetos baseados em elevação geralmente fornecem
maior potência, aliado a maior eficiência.
Rotor Darrieus
Turbina Helicoidal
A turbina eólica helicoidal que tem
sido desenvolvida para aplicações em
sistemas de pequeno e médio porte, já
que ela se integra melhor com o visual
urbano.
O rotor Darrieus é um sistema com eixo vertical
baseado em elevação, onde cada palheta
recebe torque máximo somente duas vezes por
revolução.
Turbinas Eólicas verticais
Turbinas de arraste são aquelas em que o vento empurra as
pás forçando o rotor a girar.
Existem 3 tipos de pás: planas, tipo cálice e panemone.
Nestas turbinas, a velocidade das pás não pode ser maior
que a velocidade do vento, o que limita sua eficiência.
São usadas freqüentemente em fazendas, para bombear
pequenos volumes de água com ventos de baixa velocidade.
Apresentam potência em torno de 0,5 kW para um rotor com
diâmetro da ordem de cinco metros.
Turbinas Eólicas de Arraste
Turbinas Eólicas de Arraste
Turbina de arraste (“rag Device”)
As turbinas de sustentação usam aerofólios como pás,
similares às asas dos aeroplanos. O vento V incide sobre a
pá com um ângulo a em relação ao eixo da pá. A ação do
vento sobre a pá provoca uma força de sustentação S e uma
força de arrasto A. Há uma força resultante de sustentação
aerodinâmica R.
Turbinas Eólicas de Sustentação
Fluxo na seção da pá de um rotor de uma turbina eólica de sustentação
As turbinas de sustentação podem-se mover mais rápido que
o vento e são mais eficientes. Várias turbinas modernas têm
duas ou três pás.
Turbinas Eólicas de Sustentação
Turbinas de sustentação com uma, duas e três pás
Visão Geral das Turbinas Eólicas
Torre: Suporta o gerador e as
pás.
Nacele: Abriga o gerador e outros
componentes. Conecta a torre à
estrutura das pás. Gira 360º.
Rotor: É a estrutura das pás.
Conecta as três pás através do
eixo do rotor.
Pás: As pás individuais podem
girar no seu eixo.
Partes da Turbina:
Visão Geral das Turbinas Eólicas
A nacele abriga o gerador,
as engrenagens e os
sistemas de controle.
A turbina eólica é
controlada de acordo com
diferentes dados de
condições eólicas
medidas (9, 10).
Componentes Internos:
Visão Geral das Turbinas Eólicas
O desempenho de cada turbina é definido pela sua curva de
potência.
Curvas de potência representam a potência de saída em
função da velocidade do vento.
Curvas de potência podem ser teóricas ou medidas. Curvas
de potência medidas são mais precisas!
As turbinas só começam a produzir energia a certa velocidade
–Em geral 3 – 5 m/s
As turbinas desligam a uma determinada velocidade de corte
do vento – Geralmente 20 – 25 m/s – Isto é feito para evitar
danos.
Visão Geral das Turbinas Eólicas
Turbinas eólicas são projetadas para operar em diferentes
condições, de acordo com a norma IEC 61400-1:
Velocidade média anual de vento.
Velocidades de vento de referência. Ocorre em média durante 10
minutos, para um período de recorrência de 50 anos.
Diferenças entre Instalações On-Shore e Off-Shore:
A maior parte das turbinas eólicas é atualmente instalada on-shore;
Algumas das instalações são feitas off-shore em áreas onde:
Não há terras suficientes;
As condições do vento on-shore são marginais;
As instalações eólicas off-shore em geral:
Utilizam turbinas eólicas maiores (2+ MW);
Têm maior fator de capacidade.
Tem custos maiores.
Em geral: parques eólicos off-shore tem um custo-benefício inferior a 
parques eólicos on-shore.
O custo de fazendas eólicas off-shore aumenta devido à tecnologia 
requerida, construção, transmissão
Visão Geral das Turbinas Eólicas
Dimensões das Turbinas
O custo de turbinas por kW geralmente decresce com a
sua capacidade.
Isto também é valido para os custos de planejamento
e construção.
A produção de energia por hectare geralmente cresce
com o aumento da capacidade das turbinas.
A maioria das fazendas eólicas utiliza turbinas tão
grandes quanto possível, enquanto ainda tecnicamente
viável para entrega e instalação.
Visão Geral das Turbinas Eólicas
Os dados sobre o vento devem ser coletados por um
ano no local, para análise e dimensionamento do parque
eólico.
A torre de medição deve ser construída no local, ou
perto do local esperado para as turbinas. Recomenda-se
a investigação de três a cinco locais na região
selecionada.
Os dados devem ter um controle de qualidade e devem
ser limpos antes da modelagem, eliminando-se os
valores considerados espúrios.
Medições do Vento
Instrumento utilizado para medir a velocidade do
vento. A NRG (http://www.nrgsystems.com) produz
anemômetros para medição de dados atmosféricos.
São instalados tipicamente dois anemômetros por
torre (a 40 e 60 metros) para medição da velocidade
do vento e um para determinar a direção do vento,
permitindo considerar os efeitos de sombra da torre e
de cisalhamento do vento.
Instrumentos da Torre de Medição
Anemômetro: 
Dispositivo que se conecta ao anemômetro para
gravação de dados meteorológicos. Os loggers da
NRG, por exemplo, gravam os dados a cada 2
segundos e as informações de freqüência dos últimos
10 minutos (i.e. média, desvio padrão, mínimo e
máximo) são escritas em um arquivo a cada 10
minutos.
Instrumentos da Torre de Medição
Data Logger (Registradores de Dados):
“Biruta”: Determina a direção do vento. É montado
sobre um braço suporte, conectado à torre.
Telefone Celular ou via satélite: Conecta-se ao data
logger. O usuário pode programar o data logger de
modo que este envie os dados periodicamente
(dia/semana/mês) para análise.
Dispositivos de Pressão e Temperatura: Além dosanemômetros, a maioria dos data loggers vem com
um dispositivo de medição de pressão e temperatura
opcional.
Instrumentos da Torre de Medição
Sensores e Loggers da NRG
Instalação:
Custos podem variar significativamente entre
diferentes tipos de terrenodevido à rugosidade
do terreno e problemas de fundação.
Custos variam de estação para estação, sendo
a época de chuvas a mais cara e difícil para
instalação.
Custos de Instalação de Torres de Medição
Configuração do Software
O software (i.e. o data logger) precisa ser
configurado devidamente antes da instalação. Os
data loggers precisam ser manuseados com cuidado
e geralmente necessitam de serviços de satélite ou
telefone celular para busca periódica dos dados.
Custos de Instalação de Torres de Medição
Custos Totais de Instalação:
Aproximadamente US$ 40-60k por torre (Fonte:
EAPC Wind Energy Services – América do Norte)
Os dados de vento devem ser
tratados e limpos antes da
modelagem.
Dados sobre a velocidade do
vento podem ser facilmente
visualizados através de uma “rosa-
dos-ventos”, que mede a
velocidade media do vento e a
frequência em uma certa direção:
Análise de Dados do Vento
Dados de Sensores Defeituosos:
Devido a eventos de falhas no sensor os dados
devem ser filtrados.
Isto pode ser descoberto procurando por
observações nos data-loggers onde o desvio
padrão na média dos 10 minutos é zero.
Os loggers da NRG são fornecidos com software
para realização da filtragem das medições.
Análise de Dados do Vento
Sombra da Torre:
Para corrigir o efeito de sombra da torre, os
braços devem ser montados em ângulos não
paralelos (isto é: ~ 90 graus) em uma direção
diferente da direção de vento principal
Análise de Dados do Vento
O vento pode perder ou ganhar velocidade com a variação da
rugosidade do terreno.
A velocidade do vento aumenta à medida que aumenta a distância
em relação ao solo até alcançar a camada de ventos livres.
Uma elevação abrupta no terreno faz com que a velocidade do
vento aumente perto do cume. Este fenômeno tem sido bem
estudado e muitas turbinas estão situadas no topo destes picos
para aproveitar este efeito.
A classe de rugosidade em cada direção de uma determinada
região irá influenciar a velocidade do vento nesta direção, em uma
determinada altura
Variação da velocidade do vento