Energia Eólica no Mundo, Brasil e na Paraíba - Bruno e Paulo

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Energia Eólica no Mundo, Brasil e na Paraíba
Bruno Campos Teixeira de Carvalho – 11011254
Paulo Roberto Oliveira de Carvalho - 11011241
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENG. MECÂNICA
SISTEMAS ENERGÉTICOS
João Pessoa, 21 de novembro de 2014
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Introdução a Energia Eólica
Como a necessidade de energia, especialmente elétrica, aumentou drasticamente nos últimos 100 anos, torna-se importante considerar os impactos ambientais causados pela produção de energia.
Em 1999, a demanda global por eletricidade foi de aproximadamente 14.764 TWh e essa demanda foi abastecida, principalmente, através de combustíveis fosseis, e energia nuclear.
O contínuo uso de fontes convencionais de energia para suprir a crescente demanda de energia contribui para o aquecimento global que é um dos prováveis causadores dos desastres climáticos em todo o planeta.
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Fig 1. Crescimento da população e
 do consumo de eletricidade
Fig 2. Evolução da produção de eletricidade
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O aumento do uso da energia oriunda do vento, da água, e do sol tende a diminuir o aquecimento global, pois a produção de energia, através destas fontes, não emite gás carbônico e também não produzem lixo nuclear.
Além disso, a produção de energia através de fontes renováveis ainda apresenta outas vantagens com relação às plantas convencionais que é a necessidade de uma menor quantidade de terra para uma mesma geração de energia e um menor tempo de instalação.
Uma consequência é que dentro de poucos meses uma planta de energia renovável é capaz de produzir energia suficiente para compensar a energia gasta em sua construção. Este fenômeno é chamado de amortização de energia.
A utilização de plantas renováveis também contribuem para a descentralização da geração de energia, e com isso gerando um aumento de empregos e a possibilidade de um crescimento local e sustentável.
Podemos dizer que as fontes renováveis de energia representam uma alternativa para suprir a demanda crescente de energia sem comprometer o meio ambiente e, consequentemente, sem contribuir para os desastres climáticos.
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Fig 3. – Distribuição dos custos para diferentes 
plantas de potência
Fig 4. – Cenário previsto para suprir a demanda
 de energia global nos próximos anos
Dentre as fontes alternativas de energia, a eólica vem crescendo bastante nos últimos anos, principalmente, devido a incentivos governamentais e alto grau de desenvolvimento e confiabilidade dessa tecnologia.
Com o objetivo de incentivar a abertura do mercado para a energia eólica, é necessário uma política especial que a torne lucrativa, de modo que esta possa competir com os outros tipos de energia, pincipalmente as plantas convencionais.
Além disso, pode-se destacar que a energia eólica também contribui para a geração distribuída e que o local onde é instalada a turbina eólica também pode ser usado para outras atividades como por exemplo, a agricultura e pecuária.
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O que é a Energia Eólica?
A energia eólica - produzida a partir da força dos ventos - é abundante, renovável, limpa e disponível 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.
O termo eólico vem do latimaeolicus, que pertence a Éolo, o deus dos ventos na mitologia grega.
A energia eólica é utilizada desde a antiguidade para mover os barcos impulsionados por velas ou para fazer funcionar a engrenagem de moinhos, ao mover as suas pás.
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Nos moinhos de vento a energia eólica é transformada em energia mecânica, que é utilizada para moer grãos ou bombear água. Atualmente utiliza-se a energia eólica para mover aerogeradores, que são turbinas colocadas em lugares de muito vento, para produzir energia. Essas turbinas têm geralmente a forma de um catavento ou moinho.
Fig 3. Moinhos de Vento
Fig 4. Aerogeradores
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Histórico
2800 A.C. – Egípcios foram os primeiros a fazer uso prático do vento. Neste ano começaram a utilizar velas para ajudar a força dos remos dos escravos. Eventualmente, as velas ajudavam o trabalho da força animal em tarefas como moagem de grãos e bombeamento de água.
700 – Os persas construíram moinhos de vento verticais elevados ou panemones, para serem usados como força nas mós, na moagem de grãos. Também eram utilizados para bombear água para irrigação. Posteriormente os holandeses desenvolveram o moinho de vento horizontal com hélices, muito comum nos campos dos holandeses e ingleses.
1000 – Surgem os moinhos de vento chineses, que como os persas, utilizavam eixo vertical e pás de tecido (velas). Entretanto, se diferenciavam pelo simples fato de que utilizavam o vento independente da direção.
1270 – Aparece o primeiro moinho de vento no leste europeu, modelo com uma configuração de eixo horizontal, baseada nas rodas d’água.
1500 – Surgem os moinhos de vento do tipo Dutch, cuja principal característica era a construção em madeira, que facilitava a montagem em relação pesadas pedras dos moinhos de torre.
1888 – Primeiro sistema automatizado, utilizado para gerar energia em grande escala, foi construído em Cleveland, por Charles Brush. Este modelo gerava 12 kW.
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1891 – Poul La Cour desenvolveu a primeira máquina de vento que incorporou princípios aerodinâmicos e mostrou que os moinhos de vento que operam em alta velocidade e possuem poucas pás são mais eficientes para a geração de eletricidade.
1918 – Algumas das companhias de energia elétrica da Dinamarca possuíam uma turbina eólica, na faixa de 20 a 30 kW, totalizando uma potência instalada de 3 MW. Essas turbinas cobriam, aproximadamente, 3% do consumo de eletricidade da Dinamarca na época.
1920 – Começaram o desenvolvimento de sistemas inspirados no projeto de hélices de avião, ou seja, projetos que incorporam princípios aerodinâmicos e utilizam a força de sustentação do rotor.
1920 - 1970 – Surgem diversas plantas de grande escala para a geração de energia elétrica porém seus resultados práticos não apresentaram resposta satisfatória para a produção de energia eólica em grande escala. Porém tiveram papéis importantes no posterior desenvolvimento dos modernos moinhos de vento ou turbinas eólicas.
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1973 – Com a crise do petróleo começa o desenvolvimento das turbinas eólicas modernas. Surgem vários programas de pesquisa e subsídios oferecidos pelo governo para o desenvolvimento da energia eólica em vários países. Favoreciam o desenvolvimento de protótipos de larga escala, máquinas com mais de 100 kW de potência instalada.
Entre os protótipos desenvolvidos na época podem ser destacados a série MOD (1975) e GROWIAN (1988), ambas apresentavam eixo horizontal e duas pás. MOD - As turbinas dessa série apresentavam vários problemas, principalmente mecânicos, como envergadura das pás e fadiga de alguns componentes da turbina. GROWIAN – Apresentou fadiga em alguns componentes do rotor, devido a excessivas cargas.
Portanto, como os protótipos de larga escala desenvolvidos na época, como as séries acima não obtiveram sucesso não só por problemas técnicos, mas também por problemas econômicos, o caminho encontrado, através de experiências adquiridas foi que a melhor opção seria começar com turbinas eólicas menores, com apenas algumas dezenas de quilowatts, para o amadurecimento da tecnologia.
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Podemos ver que com o desenvolvimento da indústria eólica, tivemos um desenvolvimento tecnológico que tinha como objetivo a produção de grandes turbinas eólicas para a conexão á rede elétrica. A filosofia utilizada era baseada no fato de que o conhecimento adquirido em uma classe de turbina eólica ajudava no desenvolvimento da próxima classe de maior potência.
Este processo é chamado de aumento de escala e foi um sucesso, tanto que as turbinas eólicas produzidas atualmente, seguem esta mesma filosofia.
As turbinas atuais seguem o conceito dinamarquês, Danish Concept. Descreve uma turbina eólica com três pás, que opera em uma velocidade de rotação constante. Suas pás são fixas, ou seja, não podem girar em torno do próprio eixo e a limitação da velocidade durante tempestades ou rajadas de vento é obtido pelo efeito da perda aerodinâmica passiva, provocada aerodinamicamente pelas pás.
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Fig. 5 – Moinho de vento do
tipo Persa
Fig. 6 – Moinho de vento chinês
Fig. 10 – Turbina MOD
Fig. 9 – Moinho de vento de Brush
Fig. 8 – Moinho de vento de Dutch
Fig. 7 – Moinho de eixo horizontal
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Fig. 11 – Turbinas atuais
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Fig. 12 - Evolução das turbinas eólicas
A Turbina Eólica
Eixo: O eixo é diretamente ligado ao tubo do rotor, que quando gira, leva com ele todo o sistema. Assim transfere-se ao eixo a energia mecânica proveniente do movimento rotacional. O eixo fica conectado a um gerador elétrico.
Pás: As pás tem a função essencial: elas servem como barreiras para o vento movê-las e transferir a energia para o motor e fazer o trabalho principal.
Gerador: O gerador tem princípio de funcionamento bem simples. Ele usa as propriedades da indução eletromagnética para produzir tensão, que é a diferença de potencial elétrico. Os mais simples ainda consiste em condutores de imãs. O condutor é enrolado em forma de bobina. O eixo é conectado a um conjunto de imãs permanentes que circundam toda a bobina. Todo o processo descrito depende da ação dos ventos sobre as pás e do aquecimento do ar para movê-las.
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Funcionamento da Turbina Eólica
Envolve vários campos do conhecimento, incluindo meteorologia, aerodinâmica, eletricidade, controle, bem como a engenharia civil, mecânica e estrutural.
O princípio de funcionamento baseia-se na conversão 
	da energia cinética, (que é resultante do movimento 
	de rotação causado pela incidência do vento nas pás do
	rotor da turbina) em energia elétrica. As pás das 
	máquinas modernas são dispositivos aerodinâmicos 
	com perfis especialmente desenvolvidos, equivalentes 
	às asas dos aviões, e que funcionam pelo princípio 
	físico da sustentação.
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Fig. 13 – Funcionamento da Turbina
Funcionamento da Turbina Eólica
Anemômetro:
Para começar a se mover, as pás precisam de vento de 2,5 m/s de velocidade. É pouco vento, mas cada uma das três pás da turbina fica toda aberta, de modo aproveitar tudo o que chega. Aos 12 m/s atinge o ponto ideal: 38,5 rotações por minuto (rpm), com geração de 500 KW/h. Se o vento fica mais forte do que 12 m/s, muda-se o ângulo das pás: elas vão sendo fechadas, o que faz com que uma parte do vento passe direto por elas e se perca.
Com isso, as 38,5 rpm são mantidas. Mas se a velocidade do vento aumenta muito, passa de 25 m/s numa tempestade, chegam a 90 quilômetros por hora – as pás são “embandeiradas”. Ficam num ângulo morto, inteiramente fechadas. O vento não pode movê-las: passa direto por elas. Quando tudo termina e a velocidade do vento volta para os 25 m/s, as pás retornam ao ângulo produtivo. Voltam a girar e a produzir energia. Tudo, automaticamente.
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Fig.14 – Anemômetro
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Fig. 15 – Esquema Parque Eólico
Tipos de Turbinas Eólicas
Dois tipos principais: Turbinas axiais de eixo horizontal (TEEH) e turbinas axiais de eixo vertical (TEEV). Essa diferenciação é feita normalmente em função da aplicação.
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Fig. 16 – Tipos de Turbinas 
Turbinas Axiais de Eixo Horizontal
Mais comuns para geração de energia elétrica.
A potência de uma turbina eólica está diretamente relacionada com o diâmetro do rotor, sendo mais elevada quanto maior for este diâmetro.
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Fig. 17 – Turbinas axiais de eixo horizontal
Turbinas Axiais de Eixo Vertical
São as menos comuns, normalmente utilizadas em sistemas de bombeamento de água, onde o custo final, devido à simplicidade do sistema de transmissão e construção, pode compensar o seu baixo rendimento. Devido à baixa demanda, atualmente, poucas empresas fabricam turbinas eólicas de eixo vertical.
Os principais tipos de turbinas de eixo vertical são as turbinas de Savonius e as de Darrieus. 
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Fig. 18 – Turbinas axiais de eixo vertical
A Energia Eólica no Mundo	
Os trabalhos, que avaliaram os anos de 2010 e o primeiro semestre de 2011, revelam que, ao todo, 86 países já utilizam essa fonte renovável para a produção de energia elétrica.
Destaca-se a China, que se tornou o país com maior capacidade instalada, acrescentando 18.928 Megawatt (MW) em sua matriz em um ano, bem como o centro da indústria eólica internacional.
Até 2005 a Alemanha liderava o ranking dos países em produção de energia através de fonte eólica, mas em 2008 foi ultrapassada pelos EUA. Desde 2010, a China é o maior produtor de energia eólica. Em 2011 o total instalado nesse país ultrapassava os 62.000 MW (62 GW). Comparado com os 44.000 GW instalados até 2010, foi um aumento de 41%.
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A Energia Eólica no Mundo
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Fig.19 - Evolução do potencial de energia eólica instalada no mundo e sua projeção até o ano de 2020.
Tab.1 – Potencial Instalado
Energia Eólica no Brasil
Baixa produção.
A estiagem deste ano reforçou a convicção de muitos especialistas em energia de que o Brasil precisa reduzir a dependência das grandes hidrelétricas.
Atualmente, o Brasil produz cerca de 4315 megawatts, correspondendo a cerca de 3% de participação no sistema elétrico nacional. Já são 204 usinas eólicas em todo o país, mas 36 deles estão desconectados da rede por falta de linhas de transmissão.  [dados da ANEEL]
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Energia Eólica no Brasil	
Até 2018, a participação da energia eólica na matriz energética brasileira vai saltar dos atuais 3% para 8%.
Segundo o último boletim sobre o setor [fevereiro/2014] pela Associação Brasileira de Energia Eólica (Abeeólica), em seis anos, a capacidade instalada dessa fonte no país vai aumentar quase 300%.
2013 foi um ano recorde, com 4 gigawatts (GW) de potência contratada, 142% a mais do que a meta esperada de 2GW. [Revista Exame]
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Fig. 20 – Potencial Eólico Brasileiro
Energia Eólica no Brasil
Rio Grande do Norte
Capacidade instalada: 1.339,2 MW
Nº total de parques: 46
Parques em construção: 88
*Potência total até 2018: 3.654,2 MW
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Fig. 21 – Parque Eólico no Rio Grande do Norte
Energia Eólica no Brasil
Ceará
Capacidade instalada: 661,0 MW
Nº total de parques: 22
Parques em construção: 70
*Potência total até 2018: 2.325,7 MW
*representa a potência em operação,
 em construção e contratada
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Fig. 22 – Parque Eólico no Ceará
Energia Eólica na Paraíba
Capacidade instalada: 69,0 MW
Nº total de parques: 13
Parques em construção: 0
*Potência total até 2018: 69,0 MW
Millennium: 10200 KW
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Fig. 23 – Parque Eólico na Paraíba
Energia Eólica na Paraíba	
É um dos estados com maior número de empreendimentos deste segmento de energia. Segundo dados da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), são 13 usinas em operação, destas, 12 localizadas no município de Mataraca e uma em Alhandra.
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USINA
POTÊNCIA FISCALIZADA (KW)
DESTINO DA ENERGIA
PROPRIETÁRIO
MUNICÍPIO
VITÓRIA
4500
PIE
100% para Cardus Energia Ltda.
MATARACA
PRESIDENTE
4800
PIE
100% para Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A
MATARACA
CAMURIN
4800
PIE
100% para Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A
MATARACA
ALBATROZ
4800
PIE
100% para Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A
MATARACA
COELHO I
4800
PIE
100% para Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A
MATARACA
COELHO III
4800
PIE
100% para Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A
MATARACA
ATLÂNTICA
4800
PIE
100% para Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A
MATARACA
CARAVELA
4800
PIE
100% para Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A
MATARACA
COELHOS II
4800
PIE
100% para Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A
MATARACA
COELHOS IV
4800
PIE
100% para Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A
MATARACA
MATARACA
4800
PIE
100% para Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A
MATARACA
ALHANDRA
6300
PIE
100% para Cedin do Brasil S.A.
ALHANDRA
PIE: Produção Independente de Energia
fonte: ANEEL
Tab. 2 – Produção nos Parques Eólicos da Paraíba
Custos
Há 20 anos atrás a indústria de geração de energia eólica avançou em passos gigantescos, reduzindo seus custos de implantação, em mais de oito vezes.
 Embora seu custo de instalação esteja situado por volta dos US$ 1.500.000 por cada MW de capacidade instalada, as variações nos regimes e fluxos dos ventos apresentam graus de incerteza maiores do que as variações da vazão d’água. Isso se reflete em Fatores de Capacidade de cerca de 35% contra 65% das hidroelétricas.
No leilão da Aneel realizado em 27 de agosto de 2010, o preço da energia de origem eólica ficou em R$ 130,8/MWh, tendo sido inferior ao preço da energia de biomassa e de Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs). 
No leilão de agosto de 2011, o preço da energia eólica atingiu um novo patamar, ainda mais baixo, de R$ 99,58/MWh, ficando mais barato que a energia de termoelétricas a gás natural. Neste leilão foi vendido mais de 1.900 MW, valor maior que o total de energia eólica instalado no país até o momento. Assim, a produção de energia eólica no país vai mais que dobrar até 2014, ano de conclusão dos projetos vendidos no leilão. A queda do preço do aço, importante para a produção das turbinas eólicas, pode também servir de incentivo no curto prazo.
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Segundo o fabricante (Wobben), o valor médio em investimento inicial para usinas de médio e grande porte (acima de 30MW) é de R$4.200.000,00 por MW instalado. Este valor inclui o aerogerador, infra-estrutura civil e elétrica, tudo isso dependendo das características de cada empreendimento, devendo assim ser analisado caso a caso.
A instalação de uma usina eólica demanda cerca de 18 meses, o que torna esta modalidade de geração de energia altamente competitiva em relação a outros projetos de produção de energia elétrica, tanto alternativos quanto convencionais, que levam em média 24 meses para instalação. 
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.
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Tab. 3 – Comparação Custos da Energia
Vantagens
É uma fonte de energia segura e renovável. 
Não polui o ambiente.
Suas instalações são móveis, e quando retirada, pode-se refazer toda a área utilizada.
Tempo rápido de construção (menos de 6 meses). 
Os parque eólicos são compatíveis com outros usos e utilizações do terreno como a agricultura e a criação de gado.
Poupança devido à menor aquisição de direitos de emissão de CO2 por cumprir o protocolo de Quioto e diretivas comunitárias e menores penalizações por não cumprir.
Possível contribuição de cota de geração de energia elétrica para outros setores da actividade econômica.
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Desvantagens
Impacto visual: sua instalação gera uma grande modificação da paisagem.
Influência sobre as aves e insetos do local; principalmente pelo choque delas nas pás.
Impacto sonoro: o som do vento bate nas pás produzindo um ruído constante de aproximadamente 43 dB(A), devido a isso, as turbinas eólicas devem ser instaladas a uma distância mínima de 200m das residências do local.
Baixo rendimento de potência quando comparadas, principalmente, às turbinas hidráulicas.
Em alguns casos, podem causar interferências eletromagnéticas nas ondas de rádio e telecomunicação.
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Curiosidades
O Brasil possui apenas quatro fabricantes de sistemas de energia eólica. São eles:
- Wobben Wind Power. (Subsidiária da Enercon)
- Wind Power Energia (Impsa).
- Tecsis.
- S.A.W.E.
Os ventos no Brasil são capazes de gerar 140 GW, algo entre 10 usinas de Itaipu.
 A capacidade de energia eólica instalada no mundo cresceu 21% em 2011.
Em cada hora de consumo elétrico, cinco minutos são de produção eólica.
Na Dinamarca a energia eólica representa 18% de toda a eletricidade gerada e a meta é aumentar essa parcela para 50% até 2030.
Cerca de 30% da eletricidade produzida a partir do vento é criada na Califórnia.
A maior turbina construída até hoje se localiza na Alemanha. A Enercon E-126 podendo gerar até 7,58 MW.
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Conclusão
A energia eólica é rentável?
Devemos investir neste tipo de energia?
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Referências
http://www.significados.com.br/energia-eolica/
http://www.eneop.pt/canais.asp?id_canal=110
http://www.mma.gov.br/clima/energia/energias-renovaveis/energia-eolica
http://tudosobreenergiaeolica.wordpress.com/2012/09/28/historia-da-energia-eolica/
http://evolucaoenergiaeolica.wordpress.com/historico-da-energia-dos-ventos/
http://www.ventosbrasil.com/historico.html
http://cascavel.cpd.ufsm.br/tede/tde_arquivos/7/TDE-2008-01-04T185458Z-1224/Publico/JEFERSON%20MARQUES.pdf
http://www.pick-upau.org.br/mundo/eolica_energia/eolica_energia.htm
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