Energia Eólica e Aerogeradores

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UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO
FACULDADE DE AGRONOMIA E MEDICINA VETERINÁRIA
CURSO DE AGRONOMIA
ENERGIA EÓLICA E AEROGERADORES
Disciplina: Máquinas e mecanização agrícola
Professor: Walter Boller
Acadêmicas: Caroline de Quadros Ceolin e Melissa Rubert Heller
Passo Fundo, outubro de 2013
1	INTRODUÇÃO
Proveniente do latim aeolicus, o termo eólico é relativo ao Deus Éolo, o qual era conhecido na mitologia grega por deus dos ventos, sendo deste modo relativo ao vento. A energia eólica é considerada a energia mais limpa do planeta, pois está disponível em diversos lugares e em diferentes intensidades, sendo uma boa alternativa às energias não-renováveis de origem mineral ou atômica.
Atualmente, quando falamos em geração de energia, em qualquer parte do mundo a primeira visão que se tem é a de maior distribuição possível juntamente com a maior economia envolvida. 
E, embora pouco utilizada, é uma importante fonte de energia, que é bem diferenciado dos demais e que vem indicando resultados significativos de crescimento tanto em países desenvolvidos como em países emergentes. 
O presente trabalho tem por objetivo se fazer compreender a história da energia eólica, de mesma maneira enfatizar o modo de obtenção da energia elétrica através da conversão da força oriunda dos ventos, sua estrutura como sistemática, as tecnologias de instalação, sua utilização de maneira globalizada e por fim apresentar suas vantagens e desvantagens. 
2	 ENERGIA EÓLICA
Denomina-se energia eólica a energia cinética contida nas massas de ar em movimento, ou seja, gerada a partir da força dos ventos. Já utilizada nos primórdios da civilização, há mais de 3000 anos, a energia cinética proveniente dos ventos convertida em energia mecânica em seu princípio foi aproveitada para movimentação de barcos a vela pelos egípcios antigos ao fazer a travessia do Rio Nilo. Logo após, foi aproveitada também na construção de moinhos de trigo e demais grãos e no bombeamento de água, sendo desta maneira a energia eólica transformada em energia mecânica. Apenas séculos depois, na Holanda, a sistemática dos moinhos de vento foram aprimoradas, ganhando então pás do tipo hélice sendo ainda feitas com velas. 
Devido à falta de petróleo durante a década de 1970, houve uma modificação no panorama da energia para o mundo, abrindo brecha para fontes de energias alternativas, e da mesma maneira para o retorno dos moinhos de ventos como fonte de energia elétrica. Mas foi a partir de 1980 que a energia eólica para a produção de eletricidade despertou interesse e investimentos suficientes para viabilizar o desenvolvimento e aplicação de equipamentos em escala comercial, isto devido as medidas que estimularam fontes de energia renováveis. Desde então o apoio ao desenvolvimento desse método de obtenção de energia aumentou no mundo todo, chegando a uma produção de 120 GW (gigawatt) ao final do ano de 2008, de acordo com o Global Wind Energy Council. Atualmente, apenas 1% da energia gerada no mundo provém deste tipo de fonte. Porém, o potencial para exploração é grande. Atualmente, a capacidade eólica mundial é de 238,4 GW.
A alta dos preços dos combustíveis fósseis, impulsionada pelo esgotamento das reservas de petróleo previstas para as próximas décadas, e os grandes períodos de estiagem que afetam diretamente as hidrelétricas, tem levado cientistas a pensarem cada vez mais em fontes de energia renováveis.
Dentre as fontes de energias renováveis, se tem destaque para a energia mecânica produzida pelos a partir dos ventos, que vem colaborar de maneira significativa para o atendimento das necessidades da população mundial, no que diz respeito à produção de eletricidade.
A energia eólica, como já citado anteriormente, é uma forma de energia cinética produzida pelo aquecimento diferenciado das camadas de ar, originando uma variação da massa específica e gradientes de pressão, ou seja, o funcionamento desse sistema é dado através da diferença de pressão, onde a massa de ar aquecida é elevada e o ar da região de menor pressão é deslocado para ocupar o espaço deixado pela massa elevada. Ademais, também é influenciada pelo movimento de rotação da Terra sobre o seu eixo, sendo dependente significativamente de influências naturais, como: continentalidade, maritimidade, latitude e altitude. Para que haja o aproveitamento da energia eólica, é necessária a conversão da mesma em energia elétrica ou mecânica. 
A energia eólica é medida através da utilização de sensores de velocidade e direção do vento. Os dados obtidos são armazenados num sistema de aquisição de dados (datalogger), sendo eles, a velocidade média e máxima do vento, intensidade de turbulência, além da distribuição estatística das velocidades. Esses dados são de extrema relevância para que se conheça o potencial eólico do local estudado. Juntamente ao sensor de velocidade são utilizados os sensores de direção, os quais irão registrar a predominância dos ventos.
Sabe-se hoje que as áreas que predominam sob o maior potencial eólico no Brasil são litorâneas, as quais apresentam velocidades de vento propícias ao aproveitamento de energia eólica em alta escala. Entre essas regiões estão o litoral do Nordeste, Sul e ainda o Norte do estado do Rio de Janeiro. Contudo, existem áreas montanhosas no interior do país que apresentam alto potencial eólico ainda não exploradas. 
Para estimar com confiabilidade a energia produzida por uma máquina eólica é fundamental conhecer, além das características da máquina que será utilizada, a distribuição estatística da velocidade do vento no local onde ela será instalada. Tais dados são obtidos por meio de levantamentos específicos do potencial eólico efetuado no próprio local de interesse.
Em aplicações de larga escala utilizando máquinas de grande porte, é demandada uma velocidade média de, no mínimo, 6,5 a 7,5m/s. A utilização em sistemas isolados pequenos, por sua vez, é requerida uma média de 3,5 a 4,5m/s, sendo o mínimo admissível. Os valores fornecidos levam em conta a viabilidade técnica e econômica. 
Ventos com baixa velocidade não têm energia suficiente para acionar as máquinas eólicas (que só funcionam a partir de uma determinada velocidade), a qual normalmente varia entre 2,5 e 4,0m/s. Com o aumento da velocidade do vento, a potência no eixo da máquina aumenta gradativamente até atingir a potência nominal do aerogerador, a qual varia geralmente entre 9,5 e 15,0m/s. Para velocidades superiores à nominal, em muitas máquinas, a potência permanece constante até uma velocidade de corte superior, na qual a turbina deve sair automaticamente de operação para evitar que sofra danos estruturais. É importante saber que a energia disponível varia com o cubo da velocidade do vento, de forma que o dobro de velocidade representa um aumento de oito vezes em energia.
A topografia e a rugosidade do solo também têm grande influência na distribuição de frequência de ocorrência dos ventos e de sua velocidade em um local. Portanto, quantidade de energia eólica extraível numa região é totalmente depende das características de desempenho, altura de operação e espaçamento horizontal dos sistemas de conversão de energia eólica instalados.
Para qualquer fluido em movimento, a velocidade do fluxo aumenta na medida em que este se afasta das superfícies que o delimitam, sendo assim, a velocidade do vento aumenta com a altura em relação à superfície da Terra, de forma dependente da rugosidade do terreno. Em terrenos planos (baixa rugosidade) esta variação é muito menos significativa do que em terrenos irregulares (alta rugosidade), sendo as áreas urbanas classificadas nesta segunda categoria. Por isso, as máquinas eólicas são geralmente instaladas em torres elevadas, onde as velocidades são significativamente maiores do que na superfície.
Constata-se que o recurso eólico apresenta variações temporais em várias ordens de grandeza como variações anuais geradas pelas alterações climáticas, variações sazonais, devido as estaçõesdo ano, variações diárias causadas pelo micro clima local, variações horárias produzidas pela brisa terrestre e marítima e variações de curta duração (rajadas).
No Rio Grande do Sul, existe o Parque Eólico de Osório, que é uma usina com 75 aerogeradores de 2MW, com uma capacidade total de 15MW e produção média de 51MW, o que é suficiente para uma cidade com mais de 700 mil habitantes – chega a 6% no Rio Grande do Sul. Esse parque é o segundo maior da América Latina (o maior é o Complexo Eólico do Alto Sertão I, na Bahia). A construção do parque se deu em 15 meses, sendo que as 25 primeiras torres foram inauguradas em 2006, e o restante, no ano seguinte. O investimento total foi de R$ 670 milhões.
A obra é um empreendimento da Ventos do Sul Energia, pertencente à espanhola Enerfin/Enervento (Grupo Elecnor) com 90%, à alemã Wobben Windpower (subsidiária da ENERCON GmbH) com 9% e à brasileira CIP Brasil, com 1%. O Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) financiou 69% do custo.
Para o futuro, levando em conta a crise energética atual, as perspectivas da utilização da energia eólica são cada vez maiores, pois apresentam um custo reduzido em relação a outras opções de energia. Embora o mercado de usinas eólicas esteja em crescimento no Brasil, ele já movimenta 2 bilhões de dólares no mundo. Existem 30 mil turbinas eólicas de grande porte em operação no mundo.
A energia eólica pode garantir 10% das necessidades mundiais de eletricidade 
até 2020, pode criar 1,7 milhão de novos empregos e reduzir a emissão global 
de dióxido de carbono na atmosfera em mais de 10 bilhões de toneladas. 
Sendo assim, a energia eólica, por ser fonte de energia limpa, tem várias vantagens para a sociedade em geral, para o ambiente, para o estado e para os promotores, as quais podemos citar:
Ela não emite gases poluentes e nem gera resíduos;
É uma fonte inesgotável;
Favorece a diminuição de gases causadores do efeito estufa;
Geram empregos
Os parques eólicos podem ser outras utilizações, como por exemplo, na agricultura, na criação de gado;
Não necessitam de abastecimento de combustível;
Baixa mão-de-obra (revisão a cada seis meses);
Fonte barata e que compete com as demais energias tradicionais.
Por outro lado, tem também suas desvantagens:
A energia pode não ser gerada em momentos necessários (pois depende de um fenômeno da natureza);
Os parques eólicos geram grande impacto visual devido aos aerogeradores;
Pode afetar o comportamento habitual de aves;
Causa impacto sonoro, por causa do vento que bate nas pás, sendo necessário que as habitações estejam a, no mínimo, 200 metros de distância;
Elevado custo de instalação.
Portanto, é de grande importância que se conheça as características da energia que será utilizada em uma determinada localidade, para que se possa tirar o melhor proveito de suas potencialidades sem que o meio ambiente seja prejudicado. 
3 AEROGERADOR
Um aerogerador é um dispositivo destinado a converter a energia cinética contida no vento em energia elétrica. A quantidade de energia gerada depende da velocidade do vento, do diâmetro do rotor e do rendimento de todo o sistema. Os aerogeradores são dotados de rotores, os quais se distinguem.
Existem dois tipos básicos de rotores eólicos: os de eixo vertical e os de eixo horizontal. Os rotores diferem em seu custo relativo de produção, eficiência, e na velocidade do vento em que têm sua maior eficiência. 
Atualmente as máquinas de grande porte disponíveis são em maioria tripás de eixo horizontal. Entretanto, existem máquinas bipás, monopás, quadripás e multipás de eixo horizontal, além das máquinas Savonius (Figura 1) e Darrieus (Figura 2) de eixo vertical, bem como diversos outros dispositivos. Essas inúmeras variantes são normalmente utilizadas apenas para máquinas de pequeno porte.
Os rotores de eixo vertical são geralmente mais caros que os de eixo horizontal, pois o gerador não gira seguindo a direção do vento, apenas o rotor gira enquanto o gerador fica fixo, mas seu desempenho é inferior. O rotor do tipo Savonius é um dos mais simples, é movido principalmente pela força de arrasto do ar, sua maior eficiência se dá em ventos fracos e pode chegar a 20%. O rotor do tipo darrieus é constituído por 2 ou 3 pás (como as dos helicópteros), funciona através de força de sustentação tendo assim uma eficiência melhor que a do rotor savonius, podendo chegar a 40% em ventos fortes.
Figura1: Rotor de eixo vertical Savonius		Figura 2: Rotor de eixo vertical Darrieus
Os rotores de eixo horizontal são os mais conhecidos e os mais utilizados por ter uma maior eficiência, compensando o seu custo maior. 
Os rotores multipás (Figura 3)são os mais utilizados para bombeamento de água de poços artesianos, mas nada impede que sejam utilizados para geração de energia elétrica. Impulsionados tanto por força de arrasto como por força de sustentação, esses rotores têm seu pico de eficiência em ventos fracos, com uma eficiência de 30%. Os rotores tripás (Figura 5) são os mais utilizados para geração de energia elétrica em larga escala são utilizadas como fonte de energia renovável, são impulsionados apenas pela força de sustentação. Apesar dos rotores com 2 pás serem mais eficientes, são mais instáveis e propensos a turbulências, trazendo risco a sua estrutura, o que não acontece nos rotores de 3 pás que são muito mais estáveis, barateando seu custo e possibilitando a construção de aerogeradores de mais de 100 metros de altura e com capacidade de geração de energia que pode chegar a 5 MW (megawatts). Seu pico de geração de energia é atingido com ventos fortes e sua eficiência pode passar dos 45%.
	 
Figura 3: Rotor de eixo horizontal 	 Figura 4: Rotor de eixo horizontal Figura 5: Rotor de eixo 
multipás				 quadripás				 horizontal tripás
Os rotores de eixo horizontal são mais comuns, e grande parte das experiências internacionais estão voltadas para a sua utilização. São predominantemente movidos por forças de sustentação (atuam perpendicularmente ao escoamento) e devem possuir mecanismos capazes de permitir que o disco varrido pelas pás esteja sempre em posição perpendicular ao vento. Já as turbinas de eixo vertical captam a energia dos ventos sem precisar alterar a posição do rotor com a mudança na direção dos ventos. Podem ser movidos por forças de sustentação e por forças de arrasto.
A turbina eólica para geração de energia elétrica é composta pelos seguintes subconjuntos (Figura 6):
Torre - é o elemento que sustenta o rotor e a nacele adequada ao funcionamento da turbina eólica (esse item estrutural de grande porte – mais de 100 metros de altura – é de elevada contribuição no custo inicial do sistema).
Rotor - é o componente que efetua a transformação da energia cinética dos ventos em energia mecânica de rotação. No rotor são fixadas as pás da turbina. Todo o conjunto é conectado a um eixo que transmite a rotação das pás para o gerador, muitas vezes, através de uma caixa multiplicadora.
Nacele - é o compartimento instalado no alto da torre e que abriga todo o mecanismo do gerador, o qual pode incluir: caixa multiplicadora, freios, embreagem, mancais, controle eletrônico, sistema hidráulico.
Caixa de multiplicação (transmissão) – é o mecanismo que transmite a energia mecânica do eixo do rotor ao eixo do gerador.
Gerador – é o componente que tem função de converter a energia mecânica do eixo em energia elétrica.
Mecanismos de controle – as turbinas eólicas são projetadas para fornecerem potência nominal de acordo com a velocidade do vento prevalecente, ou seja, a velocidade média nominal que ocorre com mais frequência durante um determinado período.
Anemômetro - Mede a intensidade e a velocidade dos ventos, normalmente, de 10 em 10 minutos.
Pás do rotor – Captam o vento e convertem sua potência ao centro do rotor, que chegam a medir aproximadamente 30 metros.
Biruta (sensor de direção)– São elas que captam a direção do vento, pois ele deve estar perpendicular à torre, para se obter um maior rendimento.
Figura 6: Partes constituintes de um aerogerador
As turbinas modernas são projetadas para funcionar por 130 mil horas de operação, o que resulta em uma vida útil em torno de vinte anos. As experiências internacionais têm mostrado que o custo de manutenção é geralmente muito baixo para turbinas novas e aumenta um pouco com o tempo de funcionamento das mesmas. Para máquinas novas, estima-se um custo anual entre 1,5 a 2% do investimento, enquanto as turbinas com mais idade apresentam um custo em torno de 3% ao ano do investimento.
Mundialmente existem dezenas de fabricantes de turbinas eólicas. A título de informação podemos citar: Enercon (Alemanha), Neg Micon (Alemanha), Vestas (Dinamarca), Nordex (Alemanha), Jacobs (Alemanha), Bergey Windpower (Estados Unidos), Zond (Estados Unidos), Wobben Windpower (Brasil).
Existe uma subsidiária brasileira da Enercon (empresa alemã) instalada em Sorocaba, no estado de São Paulo. Inicialmente, esta fábrica dedicou-se apenas à produção das pás para aerogeradores de grande porte, visando essencialmente à exportação. Mas em 2000, foram produzidos os primeiros aerogeradores brasileiros completos, tanto para exportação quanto para atender ao mercado interno. Existe também a Enersud fabricante de turbinas de pequeno porte.
Os tipos de sistemas eólicos podem ser classificados em três tipos:
1. Sistemas interligados à rede elétrica – constituem sistemas de grande porte, interligados à rede de distribuição de duas formas: diretamente, através de geradores de indução ou síncrono; e, indiretamente, por meio de inversores acoplados em geradores de corrente contínua. Os sistemas interligados à rede elétrica podem ser dotados de várias dezenas de máquinas eólicas, e injetam toda a energia gerada na rede elétrica convencional, funcionando como uma usina geradora; são também denominadas usinas eólicas;
2. Sistemas isolados ou independentes – são sistemas autônomos de pequeno porte, com potência instalada na faixa de até 80 kW, normalmente, destinados à eletrificação rural. Tais sistemas podem destinar-se a alimentar uma residência rural, uma fazenda, uma aldeia ou outro tipo de instalação. Normalmente, utilizam alguma forma de armazenamento, podendo ser baterias para utilização de aparelhos elétricos ou armazenamento de água para posterior utilização;
3. Sistemas de apoio (híbridos) – são aqueles em que uma turbina eólica opera em paralelo com uma fonte de energia firme (na maioria grupo-geradores diesel), tendo como objetivo principal economizar combustível. Também são utilizados em conjunto com módulos fotovoltaicos. Os sistemas híbridos normalmente são empregados em sistemas de pequeno e médio porte destinado a atender um maior número de usuários.
No caso dos sistemas isolados de pequeno porte a viabilidade é obtida naturalmente para velocidades de vento baixas, pois se devem comparar os custos dos sistemas eólicos com os elevados custos de extensão da rede elétrica convencional.
No caso dos sistemas interligados à rede elétrica, a viabilidade ainda só é alcançada para velocidades de vento elevadas, pois têm que competir com os custos de energia obtidos com as formas de geração convencional (hidroelétrica e térmica). Nos locais favoráveis, os investimentos em energia eólica são bastante rentáveis e têm sido explorados em todo o mundo pela iniciativa privada. Em alguns países (Dinamarca e Alemanha) a energia eólica já é complementar à geração convencional e tem participação expressiva na matriz energética nacional.
De uma forma geral, os sistemas eólicos são bastante duráveis e precisam de pouca manutenção. A vida útil das turbinas eólicas é estimada em 15 anos. Os dispositivos eletrônicos (inversor, controlador de carga) têm vida útil superior a 10 anos. No caso de sistemas eólicos isolados com armazenamento de energia em baterias, as baterias são consideradas o ponto crítico do sistema, mas quando este é bem projetado elas têm vida útil de 4 a 5 anos.
Os equipamentos de pequeno porte têm impacto ambiental geralmente desprezível. Já os impactos ambientais de parques eólicos podem ser classificados em:
Uso da terra – em parques eólicos as turbinas devem estar suficientemente distanciadas entre si para evitar a perturbação causada no escoamento do vento entre uma unidade a outra. Estes espaçamentos devem ser no mínimo de 5 a 10 vezes a altura da torre. Contudo a área do parque pode ser aproveitada para produção agrícola ou atividades de lazer;
Ruído – as turbinas de grande porte geram ruído audível significativo, de forma que existe regulamentação relativa à sua instalação na vizinhança de áreas residenciais. Entretanto, nas turbinas mais modernas o nível de barulho tem sido reduzido. 
Impactos visuais – as pás das turbinas produzem sombras e/ou reflexos móveis que são indesejáveis nas áreas residenciais; este problema é mais evidente em pontos de latitudes elevadas, onde o sol tem posição mais baixa no céu. Dentre outros parâmetros que se podem relacionar são: o tamanho da turbina, seu design, números de pás, cor e números de turbinas em uma fazenda eólica. As máquinas de grande porte são objetos de muita visibilidade e interferem significativamente nas paisagens naturais; por isso podem existir restrições à sua instalação em algumas áreas (por exemplo, em áreas turísticas ou áreas de grande beleza natural);
Aves – em fazendas eólicas ocorre mortalidade de aves por impacto com as pás das turbinas (acredita-se que os animais não conseguem enxergá-las, quando estão em movimento), por isso não é recomendável a sua instalação em áreas de migração de aves, áreas de reprodução e áreas de proteção ambiental.
Interferência eletromagnética – esta acontece quando a turbina eólica é instalada entre os receptores e transmissores de ondas de rádio, televisão e microondas. As pás das turbinas podem refletir parte da radiação eletromagnética em uma direção, tal que a onda refletida interfere no sinal obtido.
4 	CONCLUSÃO
	Com este trabalho, concluímos que, a energia eólica se encaixa perfeitamente na demanda atual pois é limpa, renovável e não causa grandes efeitos para o meio ambiente, por ser utilizada basicamente a captação dos ventos com o uso de hélices, que movimentam um eixo, e por meio de um gerador, essa energia mecânica é transformada em energia elétrica, não emitindo nenhum poluente.
	O Brasil tem um grande potencial eólico, porém não é usado devido uma carência de informações, valorização e pesquisa, devendo ser mais explorado.
Apesar disso, a energia eólica não é garantida, pois é dependente da velocidade dos ventos, que podem cessar a qualquer instante, causando uma instabilidade na média de energia produzida. Portanto, ela deve ser uma das opções de matriz energética utilizada por países preocupados com o meio ambiente, complementando as matrizes já utilizadas, como nos meses de chuva em que o rendimento das hidrelétricas é menor, mas por outro lado há uma maior quantidade de ventos.
Mais importante que procurar novas formas de obter energia, aproveitar ou armazenar, é sem dúvida, conseguir reduzir os seus gastos.
REFERÊNCIAS