CONCEITOS FÍSICOS APLICADOS NA ENERGIA EÓLICA

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APLICABILIDADE DE CONCEITOS FÍSICOS NA GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA 
 ¹Discente do curso de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal do Recôncavo da Bahia 
²Docente da Universidade Federal do Recôncavo da Bahia
 
RESUMO 
A crescente demanda da sociedade por energia elétrica é de vital importância avaliar possibilidades quanto à produção com menor impacto ambiental possível, ou seja, alternativas de fontes renováveis de energia. Denomina-se energia eólica a energia cinética contida nas massas de ar em movimento (vento). A força dos ventos tem sido aproveitada de inúmeras formas, com finalidades de bombear ou drenar água, e outras aplicações que envolvem energia mecânica, foi no século XIX que surgiu as primeiras tentativas para geração de energia elétrica, mas foi no século XX que houve interesse e investimentos suficientes para possibilitar o desenvolvimento e aplicação de equipamentos para produção de energia elétrica, com o avanço tecnológico, os aerogeradores se tornaram eficientes a gerar uma quantidade maior de energia, até que surgiram as primeiras usinas eólicas. Este artigo discorre uma revisão dos princípios físicos referentes a aplicação da energia cinética dos ventos na produção de eletricidade, a partir de um projeto representativo de uma estação de energia eólica. A metodologia da pesquisa utilizada foi com base bibliográfica, entrevistas e em artigos científicos.
Palavras Chave: Conceitos Físicos. Mini estação. Aerogerador.
INTRODUÇÃO
 	O consumo de energia está diretamente relacionado à qualidade de vida da sociedade. Atualmente existe um crescente aumento na demanda energética por conta do crescimento populacional, isso resulta numa maior preocupação com a segurança na provisão de energia necessária para o desenvolvimento social e econômico de um país e os custos ambientais para atender esse aumento no consumo de energia.
A energia eólica é produzida a partir da força dos ventos em uma quantidade considerável, renovável, limpa e acessível em muitos lugares. Essa energia é gerada por meio de aerogeradores, nas quais a força do vento é captada por hélices ligadas a uma turbina que aciona um gerador elétrico. A quantidade de energia transferida é função da densidade do ar, da área coberta pela rotação das pás (hélices) e da velocidade do vento. 
A energia eólica precisa ser armazenada para utilização quando a intensidade dos ventos não for suficiente para atender a demanda e também, para aproveitar o excedente produzido, quando a produção supera a demanda. Mas, a energia cinética dos ventos não pode ser armazenada, então deve ser feita sua conversão para outro tipo de energia armazenável. Assim as formas que armazenam a energia eólica convertida em energia mecânica, são utilizados mecanismos que usam forças de natureza mecânica para realizar o armazenamento; e as formas que armazenam a energia eólica convertida em energia elétrica, é usado o excedente da eletricidade gerada pela turbina para acionar os mecanismos de armazenamento.
OBJETIVOS
Explicar a geração de energia eólica de acordo com os conceitos aprendidos em Física Geral I e aplicá-los na Engenharia.
Construir uma Mini estação de energia eólica capaz de gerar energia elétrica. 
1. ENERGIA EÓLICA E SUA APLICAÇÃO
A crise internacional de petróleo na década de 70 foi o impulso para energia eólica começar a ser aplicada na geração de eletricidade, surgindo empenho em maiores investimentos para iniciar um desenvolvimento rentável. 
A energia eólica é uma fonte de energia renovável, limpa e sustentável, entretanto seu impacto ambiental não é inexistente, mas, reduz a contaminação causada pela queima dos combustíveis fósseis. Ao efetivar uma análise acentuada, verificou-se que a energia eólica comporta numerosas vantagens e algumas desvantagens. Todos os fatores tanto positivos quanto negativos devem ser avaliados na escolha da fonte de energia, considerando a que proporciona melhor adaptação ao meio e menos impactos negativos.
1.1 VANTAGENS DA ENERGIA EÓLICA:
Não emite gases poluentes e não geram resíduos.
É uma tecnologia inesgotável;
Compatível com outras atividades como agricultura e pecuária;
É uma das fontes mais baratas de energia, podendo competir em termos de rentabilidade com as fontes de energia tradicionais;
Não requer uma manutenção frequente, a revisão é semestral;
1.2 DESVANTAGENS DA ENERGIA EÓLICA:
Desmatamento de grandes áreas para formar estradas para implantação das torres, prejudicando a fauna e flora.
Como é preciso um fenômeno da natureza para funcionar, às vezes a energia não é gerada em momentos necessários, o que torna difícil a integração da produção dessa tecnologia;
Prejudica as aves, por causa do choque das pás, podendo afetar o comportamento costumeiro das mesmas.
O som do vento bate nas pás produzindo um ruído de 43 decibéis, por isso moradias devem estar no mínimo a 200 metros de distância;
2 APLICABILIDADE DE EQUAÇÕES E CONCEITOS FÍSICOS RELACIONADOS À TURBINA EÓLICA
 	 Define-se energía eólica como a energía cinética compreendida no movimento de uma massa de ar, através das turbinas eólicas, a energia cinética é convertida em energia mecânica pelo giro das pás do rotor e transformada em energia elétrica pelo gerador. 
A potência é igual ao trabalho dividido pela variação de tempo, dado pela Equação (1).
 				Equação (1)
 
O trabalho realizado pela massa de ar, o vento, por estar em movimento é a energia cinética, apresentado na Equação (2)
					 Equação (2)
Substituindo a Equação (2) na Equação (1), assim associando potência ao trabalho, temos a obtenção da Equação (3).
 	 Equação (3)
 			
As turbinas eólicas se encontram inseridas na camada superficial da atmosfera, utilizando a energia do vento em uma ampla faixa de alturas, onde a potência contida no vento fluindo perpendicularmente com dada velocidade através de uma área que pode representar a área de interceptação das hélices de uma turbina eólica. 
Com base na Equação (3) tem-se a equação relativa à potência de uma turbina eólica, mostrada na equação (4).
Equação (4)
 
 
Com as Equações (3) e (4) é possível identificar uma razão entre a massa do ar com a variação do tempo. Essa razão é expressa pelo símbolo ṁ que é a vazão da massa de ar, logo obtém-se a equação (5). 
 	 Equação (5)
O símbolo ṁ (kg) é o fluxo de massa de ar que passa perpendicularmente por uma seção transversal de área S. Este fluxo é demonstrado na Equação (6). 
 
Equação (6)
Onde o símbolo ρ é a densidade do ar (kg/m3), v representa a velocidade do vento (m/s) e S a área do rotor da turbina perpendicular à direção do vento (m2). 
A capacidade máxima que pode ser retirada do vento é aquela onde a velocidade de saída do rotor é nula. Entretanto, se isso acontecer terá condensação de ar na saída do rotor, causando a obstrução do fluxo de ar e, como resultado, a geração de energia elétrica. Logo, Betz afirmou fisicamente que para alcançar a máxima potência teórica, é essencial que a velocidade na saída do rotor seja precisamente igual a um terço (1/3) da velocidade na entrada do rotor, ou seja, dois terços (2/3) da energia cinética presente na massa de ar que penetra este rotor seria presa e transformada em energia elétrica.
Substituindo a Equação (6) na Equação (5), conclui-se que a potência contida no vento que atravessa a seção transversal de área S é dada pela Equação (7). A Equação (7) apresenta o cálculo da potência de uma turbina eólica, onde P é a potência elétrica (W); v é a velocidade (m/s); ρ = 1,29 (kg/m3) (aproximadamente). Vale ressaltar que o valor da densidade do ar sofre variações de acordo com a localização da cidade e diminui com o aumento da altitude.
				Equação (7)
A energia recuperável do vento está associada à energia cinética ao atravessar o rotorda turbina. A Equação (7) mostra que a potência contida no vento varia com o cubo da velocidade do vento, com a massa específica do ar e com a área S, varrida pelas pás da turbina usada para o ensaio, cortada por este fluxo de massa de ar (vento). Dessa forma, a energia gerada pelas turbinas é muito sensível à velocidade do vento que passa pelas pás do aerogerador (v³).
3 PROCEDIMENTOS
 A ideia do projeto é demonstrar a produção de energia elétrica através dos ventos, exibido, a partir de um protótipo de uma mini estação de energia eólica, apresentando os conceitos físicos estudados no curso de Física Geral e Experimental I, que envolvem o processo de geração de energia. 
O projeto foi escrito com base em referências bibliográficas e fundamentação teórica, além de vídeos disponibilizados na internet que também contribuíram na construção e demonstração do protótipo de energia eólica. A mini estação de energia, foi construída de forma reduzida e simplificada, mas, buscando manter as características de um projeto original, foi priorizada a utilização de material reciclado e de baixo custo, a montagem do protótipo foi simples, e sem grandes complicações.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A energia eólica surge no Brasil a partir da necessidade de diversificar as fontes energéticas do país, para tentar evitar prováveis crises no setor e também para diminuir os impactos ao meio ambiente. Em 2014 o Brasil ultrapassou a Alemanha na expansão da energia eólica, atingindo o segundo lugar mundial, possuindo um potencial de 71.000 km2 do território nacional, com velocidades de vento superior a 7 m/s ao nível de 50 m, propiciando um potencial eólico de 272 TWh/ano de energia elétrica.
A partir dos materiais, a maioria reciclados, se deu a construção do protótipo da mini estação, seguindo com a montagem de uma maquete representando uma pequena cidade mantida por energia eólica, para validar a aplicação do mini gerador no aproveitamento de energia referente aos princípios físicos abrangidos no funcionamento de uma turbina eólica. A construção do projeto possibilitou maior compreensão do conteúdo envolvido que foi visto durante o curso, além de reforçar a conscientização do uso de fontes renováveis.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A energia eólica é uma fonte renovável, ou seja inesgotável, limpa e uma alternativa inteligente frente às demandas elétricas atuais, portanto é considerada uma das mais promissoras fontes naturais de energia, está no ranking como a ambientalmente mais sustentável e popularmente mais acessível. A indústria eólica, pode suprir um conjunto de necessidades de um país, como a geração de energia, o crescimento econômico e tecnológico, é uma melhor qualidade de vida. O crescimento da fonte eólica tem sido expressivo, mas se analisarmos seu potencial, ainda tem muito a explorar. 
A preocupação ambiental vem ganhando destaque, logo, as fontes renováveis de energias tem se tornado cada vez mais presentes, pois, contribuem diretamente no bem-estar da sociedade.
Assim, podemos constatar que o processo de geração de energia pode ser compreendido, por meio da aplicabilidade da física desde os mais simples captadores de vento até os mais sofisticados, verifica-se que em todos os procedimento e etapas estão presentes os conhecimentos da física.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
➤CASA DOS VENTOS ENERGIA PARA UM NOVO MUNDO. Energia Eólica. Disponível em: < http://casadosventos.com.br/pt/energia-dos-ventos/energia-eolica> Acesso em: Acesso em 6 de agosto de 2017.
➤ENERGIA EÓLICA. Esquema Eólico. Disponível em < http://energiaeolica.predialnet.com.br/lado.htm> Acesso em 10 de agosto de 2017.
➤MELO, M. S. M. Energia Eólica: aspectos técnicos e econômicos. Dissertação de Mestrado, Planejamento Energético, COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2012, 137 f. Disponível em:
<http://www.ppe.ufrj.br/ppe/production/tesis/marcelo_melo.pdf>. Acesso em: 20 de agosto de 2017.
➤ÔLO, C. D. V. Projeto de uma Turbina Savonius com utilização de componentes em Fim-de-Vida, 2012, 64 f. Dissertação de Mestrado, Faculdade de Ciências e Tecnologias, Universidade Nova de Lisboa, Lisboa, 2012. Disponível em: <http://run.unl.pt/bitstream/10362/8876/1/Olo_2012.pdf>. Acesso em: 20 de agosto de 2017.
➤PORTAL ENERGIA – PE. Vantagens e desvantagens da energia eólica. Disponivel em: <http://www.portal-energia.com/vantagens-desvantagens-da-energia-eolica/> Acesso em: 20 de agosto de 2017.