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*Acadêmicos do curso de Engenharia Elétrica das Faculdades Integradas do Vale do Iguaçu. **Professor Orientador. Graduado em Letras/Espanhol pela Faculdade Estadual de Filosofia, Ciências e Letras, Mestre em Linguística pela Universidade Estadual do Paraná e Doutor em Linguística pela Universidade Federal do Paraná. Docente da disciplina de Metodologia da Pesquisa Científica, do curso de Engenharia Elétrica das Faculdades Integradas do Vale do Iguaçu. MICROGERAÇÃO EÓLICA PARA USO RESIDENCIAL E EM PEQUENOS COMÉRCIOS Carlos Pires Machado* Marlon Kaminski* Murylo Sydorak* Atílio A. Matozzo** RESUMO: A energia eólica é uma fonte de geração renovável, pois é naturalmente reabastecida, ao contrário das não-renováveis, como o petróleo, que existe em quantidade limitada na natureza. O assunto é de grande importância em meio aos problemas enfrentados com a produção de energia elétrica, visto que há uma grande demanda ao mesmo tempo em que existe uma preocupação com um desenvolvimento sustentável. Este artigo foi elaborado com o objetivo de divulgar informações estudadas a respeito do aproveitamento da energia eólica para a geração de eletricidade em residências e pequenos comércios, analisando o custo-benefício e os impactos ambientais. Inicialmente é apresentado um panorama sobre o uso da energia eólica, mostrando que o Brasil possui um bom potencial eólico, mas que ainda não é totalmente aproveitado. Foi explicado o funcionamento de um equipamento de geração e os fatores que influenciam na produção de energia, sendo relacionado a quantidade produzida com os custos de instalação e manutenção, para então avaliar a economia do sistema. Diante dos resultados obtidos, pode-se concluir que o sistema de microgeração eólica é uma boa alternativa para que o consumidor possa usufruir de seus benefícios econômicos, além de cuidar do meio ambiente, utilizando uma energia limpa, com impacto ambiental quase nulo. PALAVRAS CHAVE: Aerogeradores. Energia Eólica. Energia Renovável. Microgeração. ABSTRACT: Wind energy is a renewable source of energy, because it is naturally replenished, the opposite of non-renewable ones, as petroleum that exists in a limited amount in the Earth. This subjecthas a great significance among all the problems faced today to produce electric energy, since it has big demandand at the same time a concern about sustainable development. This article was created with the target to disseminate informations which are studied about the use of wind energy to generate electricity in residences and small business, analyzing its cost-benefits and its environmental impacts. Initially it is presented as an overview about the use of wind energy, proving that Brazil has a good eolian potential but it is not completely used. Was explained how na equipment of generation works and the factors that influence in the production of energy, being related the amount of energy produced and the costs of installation and maintenance, the evaluate the economics of the system. At the results, the conclusion is that the system of micro-generation of wind energy is a good alternative for consumers enjoy their economic benefits, as well take care of the environment, using green energy with no environmental impact. KEYWORDS: Micro-generation. Renewable Energy. Wind Turbines. Wind Energy. 1 INTRODUÇÃO Nos últimos anos tem havido uma preocupação com formas de produção de energia eficazes e menos agressivas ao meio ambiente. Nesse aspecto, as energias renováveis são vistas como alternativa viável de investimento. Dentre elas, destaca- se a energia eólica, pelo seu custo, pouca manutenção, bom rendimento e impacto ambiental pouco significativo. Este artigo foi realizado com o objetivo principal de buscar informações a respeito da microgeração eólica, pois há um desconhecimento no âmbito do uso do vento como aproveitamento na geração em uso residencial, sendo que pode haver um suprimento razoável da demanda de uma unidade consumidora. Foram analisados dados referentes ao custo de implantação e a possibilidade de o sistema proporcionar benefícios ao consumidor e ao meio ambiente. No início, é apresentada a energia eólica e um panorama sobre o aproveitamento no Brasil. Depois é explicado o funcionamento e suas aplicações na microgeração, relacionando com os elementos influenciadores. Em seguida, são analisados os custos de instalação e manutenção, a quantidade gerada e, a partir disso, foi avaliada a economia média do sistema. Ao final, foram observados os impactos ambientais e avaliados os benefícios da energia eólica. 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 A ENERGIA EÓLICA NO BRASIL E NO MUNDO O aproveitamento da energia dos ventos na geração de eletricidade tem crescido nos últimos anos em todo o mundo, graças a investimentos e incentivos de governos, que buscam suprir a demanda energética aliando desenvolvimento econômico sem deixar de lado o compromisso de cuidar do meio ambiente. O mesmo vem acontecendo com as demais fontes de energia renovável. Segundo aponta Santos et al (2006, p. 18), com o crescimento da demanda e do consumo de energia em todo o mundo (notadamente no Brasil), a crescente escassez de combustíveis fósseis e não-renováveis, as necessidades de controle ambiental, preservação da natureza e crescimento auto-sustentado, e por outro lado, o enorme desenvolvimento da tecnologia Eólica e a constante redução de custos nessa área, o aproveitamento da força dos ventos é um dos setores de tecnologia de ponta que apresenta um dos maiores índices de crescimento relativo na economia global, com um enorme potencial de criação de riquezas ainda inexplorado, como ocorre em nosso país. Mesmo com a crescente utilização das energias renováveis, a participação delas na geração total de energia ainda é pequena. A que possui maior aproveitamento é a energia hidráulica, com a construção de grandes reservatórios e usinas hidrelétricas. 2.2 POTENCIAL EÓLICO NO BRASIL O Brasil tem recursos naturais, especialmente renováveis, com grande potencial de serem explorados. Sabe-se que a maior parte da matriz energética brasileira é formada pela energia hidráulica, com usinas e centrais hidrelétricas espalhadas por todo o país. Outro tipo de energia renovável que tem obtido sucesso nos últimos anos é a eólica, que vem aumentando cada vez mais a capacidade instalada. O Brasil apresenta um crescimento significativo da energia eólica a partir de 2006. Em 2010, a capacidade eólica instalada foi de 930 MW, sendo que em 2012, o Brasil já possui 1.470 MW eólicos instalados, representando 1,25% de toda a capacidade de geração elétrica do país (SOUZA; CUNHA; SANTOS, 2013, p. 7). Esse aumento significativo tem sido possível devido à realização de estudos sobre a qualidade dos ventos, que apontam o potencial eólico a ser explorado. Os primeiros estudos tiveram início nos anos 90, no Ceará e em Fernando de Noronha. A partir dos resultados obtidos, verificou-se que aquela região apresentava condições favoráveis a geração eólica. Posteriormente, outros estados fizeram o mesmo tipo de estudo, descobrindo que outras regiões também tinham um bom potencial de exploração. Entre estas regiões estão: o norte da Bahia e de Minas Gerais, o oeste do Pernambuco, o estado de Roraima e o Sul do país. O Brasil possui um dos maiores potenciais eólicos do mundo, já comprovado pelos estudos e também pelas usinas já implantadas. Porém, ele não é explorado por completo, tendo uma produção de energia muito pequena em relação a sua capacidade. Santos et al (2006, p. 20) afirma que: No Brasil, embora o aproveitamento dos recursos eólicos tenha sido feito tradicionalmente com a utilização de cata-ventos multipás para bombeamento d’agua, algumas medidas precisas de vento, realizadas recentemente em diversos pontos do território nacional, indicam a existência de um imenso potencial eólicoainda não explorado. Estudos feitos em 2001 apontavam um potencial eólico de cerca de 143,5 GW no Brasil. Hoje, estima-se que esse potencial é de 500 GW. Estima-se também que até 2023, a capacidade instalada seja da ordem de 22,4 mil MW, o que representaria uma participação de aproximadamente 11,5% da produção total de energia, sendo que atualmente a geração eólica corresponde a apenas 3%. No Brasil, os períodos de menor capacidade dos reservatórios das hidrelétricas, coincidem exatamente com os períodos de maiores ventos e, portanto de maior geração de energia nas Usinas Eólicas. Essa complementaridade já comprovada entre as fontes eólicas em nosso país potencializa uma maior confiabilidade e estabilidade do Sistema Elétrico Brasileiro (SANTOS; RAMOS; SANTOS; OLIVEIRA, 2006, p.19). Um dos fatores positivos que devem ser considerados para que sejam realizados investimentos em geração de energia a partir dos ventos, é a complementaridade da produção entre a eólica e as demais fontes de energia. Graças a esses avanços, o aproveitamento eólico tem contribuído na produção, incrementando a matriz energética. 2.3 FUNCIONAMENTO Atualmente, a geração de energia a partir dos ventos acontece por meio de aerogeradores, que utilizam a energia cinética, que gira um rotor conectado a um gerador, convertendo energia mecânica em elétrica. Existem dois tipos principais de turbinas eólicas: as de eixo horizontal e as de eixo vertical. O modelo mais utilizado é o de eixo horizontal, geralmente com três pás, sendo necessário um sistema de ajuste para que a turbina esteja sempre alinhada com o vento; esse sistema de ajuste é dispensado na turbina de eixo vertical. Um ponto negativo do aerogerador de eixo vertical é que este modelo necessita de um pequeno impulso para dar a partida e começar a se mover. Para que uma turbina eólica tenha um funcionamento adequado existem alguns componentes essenciais: Quadro 1 – Componentes de um aerogerador COMPONENTES FUNÇÃO Pás Responsáveis por captar o vento, acopladas ao rotor. Rotor Transforma a energia cinética do vento em energia mecânica de rotação. Transmissão e caixa multiplicadora Transmite a energia mecânica do rotor até o gerador, multiplicando a baixa rotação do eixo do rotor, resultando em uma velocidade maior no gerador. Gerador Faz a conversão da energia mecânica em elétrica. Mecanismos de controle Responsável pelo ajuste do rotor em relação à direção do vento e pelo controle da velocidade, podendo ser mecânico, aerodinâmico ou eletrônico. Torre Responsável pela sustentação e posicionamento do rotor em uma altura adequada para a geração. Sistema de armazenamento Utilizado para armazenar energia, geralmente em baterias, a fim de atender períodos com baixa geração. O armazenamento é necessário em sistemas híbridos ou isolados da rede, tornando-se dispensável em modelos conectados à rede. Inversor síncrono Converte corrente contínua em alternada e ajusta a frequência na faixa dos 60 Hz. Transformador Adapta a tensão do gerador à tensão da rede elétrica. Fonte: Os autores, 2016. 2.4 APLICAÇÃO DOS SISTEMAS DE MICROGERAÇÃO EÓLICA Os sistemas eólicos para a microgeração podem ser utilizados de três formas: isolados, híbridos ou interligados à rede. Cada tipo de aplicação contém vantagens e desvantagens, ficando sob responsabilidade do consumidor analisar e verificar qual modelo atende às suas necessidades do dia a dia. 2.4.1 Sistemas isolados Os sistemas isolados não são conectados à rede elétrica, sendo aplicado normalmente em locais de difícil acesso, também utilizado na eletrificação rural. Esse tipo de aplicação na maioria das vezes exige um sistema de armazenamento, geralmente feito com baterias. Segundo Santos et al (2006), os sistemas que armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar a carga e a descarga da bateria, tendo como objetivo evitar danos por sobrecargas ou descargas profundas. A energia das baterias que está em corrente contínua passa pelo inversor síncrono, para que então possa ser usada na forma de corrente alternada. A desvantagem desse tipo de aplicação, assim como no sistema híbrido, está relacionada à manutenção das baterias. 2.4.2 Sistemas híbridos Também não são conectados à rede convencional e operam em conjunto com outras fontes de energia, como por exemplo, painéis fotovoltaicos e gerador Diesel, sendo aplicado normalmente em empreendimentos de médio e grande porte. O seu funcionamento é igual ao de um sistema isolado, pois também precisa de um sistema de armazenamento em baterias. No caso de um sistema híbrido, deve haver um controle de todas as fontes para que se possa usufruir com máxima eficiência do equipamento instalado. 2.4.3 Sistemas interligados à rede São conectados à rede elétrica, podendo ser aplicado em residências e comércios de pequeno porte. A energia gerada pelo equipamento é consumida e caso tenha um excedente é injetada na rede. Quando a geração não é suficiente para suprir a demanda, pode-se utilizar a energia distribuída pela concessionária. Os sistemas eólicos interligados à rede apresentam as vantagens inerentes aos sistemas de geração distribuída tais como: a redução de perdas, o custo evitado de expansão de rede e a geração na hora de ponta quando o regime dos ventos coincide com o pico da curva de carga (SOUZA; CUNHA; SANTOS, 2013, p. 11). Uma vantagem encontrada é que não precisa armazenar a energia, pois ela já está disponível para consumo, eliminando assim o custo com baterias. Outro aspecto que deve ser considerado é que mesmo não suprindo a demanda da unidade consumidora por completo, a quantidade de energia gerada através de um aerogerador pode representar uma redução na conta de luz, apresentando-se como uma fonte alternativa. Diante das vantagens desse sistema em relação aos outros, o sistema interligado à rede tem sido mais recomendado. Exemplo semelhante vem ocorrendo com os painéis fotovoltaicos no aproveitamento da energia solar. 2.5 FATORES QUE INFLUENCIAM NA MICROGERAÇÃO EÓLICA 2.5.1 Velocidade do vento De acordo com Santos et al (2006, p. 16), “A avaliação precisa do potencial de vento de uma região é o primeiro e fundamental passo para o aproveitamento do recurso eólico como fonte de energia”. Para que a energia eólica seja considerada tecnicamente aproveitável, é necessário que sua densidade seja maior ou igual a 500 W/m², a uma altura de 50 m, o que requer uma velocidade de 7 a 8 m/s. Em lugares em que as condições do relevo contribuem para um fluxo de vento maior, a velocidade pode ser a partir de 6 m/s. 2.5.2 Altura do aerogerador A altura do aerogerador está diretamente relacionada com as condições de vento do local. Quanto mais alto estiver, mais vento alcançará. Portanto, deve-se dar atenção a estrutura do equipamento, que deve suportar a carga das peças, a força do vento e a vibração causada pelo movimento das pás. 2.5.3 Relevo da região e obstáculos Estudos realizados levam em consideração cinco condições de relevo: Zona costeira - áreas de praia, com larga faixa de areia, onde o vento incide predominantemente no sentido mar-terra; Campo aberto - áreas planas de pastagens, plantações ou vegetação baixa; Mata - áreas de vegetação com árvores altas, tipo de terreno que causa mais obstruções ao fluxo de vento; Morro - áreas de relevo levemente ondulado, com pouca vegetação; Montanha - áreas de relevo complexo, com relevo bastante ondulado. A potência gerada varia com a velocidade do vento local, o que demonstra a importância de se fazer uma análise prévia do lugar antes de um investimento. Na zona urbana existe o problema da rugosidade física do entorno, entretanto o sistema pode ser otimizado para atender justamente esse setor, onde há aglomeraçãode edificações residenciais e grande demanda por energia elétrica (PIRES; OLIVEIRA, 2009, p. 5). Assim, a microgeração em regiões com muitos obstáculos fica prejudicada. Porém, mesmo nessas regiões, com o avanço tecnológico é possível gerar energia em escalas menores. Em regiões com aproveitamento mais restrito, deve-se avaliar a viabilidade econômica de implantação. 2.5.4 Influência das pás As pás realizam um movimento circular em torno de um eixo, interagindo diretamente com as forças de sustentação e as forças de arrasto do vento. As pás são acopladas no rotor, podendo ser construído rotores com uma, duas, três ou múltiplas pás. “Os modelos mais utilizados na atualidade são os de eixo horizontal de três pás, geralmente fabricadas em fibra de vidro, com as pontas pintadas em vermelho para inibir a presença de pássaros.” (PIRES; OLIVEIRA, 2009, p. 3). Um aerogerador precisa ter de 1 a 4 pás para garantir melhor eficiência. Contudo, com apenas uma pá haveria problemas de balanceamento da turbina; com duas pás a turbina giraria muito rápido, causando altos esforços mecânicos ao rotor, pelo efeito da força centrífuga; com quatro pás, o ganho de eficiência seria baixo em comparação ao de três pás, além de custar mais caro; esses são os motivos principais que fazem com que o modelo de três pás seja o mais utilizado. A área abrangida pelo movimento circular das pás é um dos fatores influenciadores na geração. Portanto, a quantidade de energia gerada está diretamente ligada ao tamanho e ao ângulo de torção sobre o eixo longitudinal das pás. 2.5.5 Rotor O rotor é o componente do sistema eólico responsável por captar a energia cinética dos ventos e transformá-la em energia mecânica de rotação. Por isso, o dimensionamento do rotor influenciará diretamente na geração. O critério mais comum de classificação tem como referência o eixo e, assim, existem os rotores de eixo horizontal e os de eixo vertical. 2.5.5.1 Rotor de Eixo Horizontal Esse modelo é o mais comum, sendo movido por forças aerodinâmicas chamadas de forças de sustentação (forças que atuam perpendicularmente ao escoamento do vento) e força de arrasto (forças que atuam na direção do escoamento). Os rotores que giram predominantemente sob efeito de forças de sustentação geram mais potência do que aqueles que giram sob efeito de forças de arrasto, para uma mesma velocidade do vento. 2.5.5.2 Rotor de Eixo Vertical Em geral, os rotores de eixo vertical são mais simples, pois não necessitam de mecanismos de ajuste à direção do vento, também sendo movidos por forças de sustentação e de arrasto. Os principais tipos são o Darrieus, Savonius e turbinas com torre de vórtices. 2.6 PRODUÇÃO DE ENERGIA Como foi analisado, a produção de energia possui uma série de fatores influenciadores. A quantidade total gerada vai depender desses elementos, que devem ser previamente estudados. Sabe-se que a disponibilidade e a intensidade dos ventos são fatores essenciais no aproveitamento da energia eólica e, por isso, levantamentos e outros estudos têm buscado analisar a produção de energia, tendo como principais variáveis envolvidas a velocidade, potência do vento e a área de captação. A seguir é mostrado um gráfico que relaciona a potência do vento no rotor (medida em W), que será transformada em energia mecânica e posteriormente em eletricidade, com a área das pás (medida em m²) e a velocidade do vento (medida em m/s). Gráfico 1 – Potência resultante em função da área das pás e da velocidade do vento Fonte: Argentino; Beppu, 2007. Devido a vários fatores não é possível converter toda a energia do vento em energia mecânica. O valor máximo do coeficiente de potência é de 0,593. Por conseqüência, a máxima potência que pode ser extraída é de 59%. 2.7 CUSTOS O custo de implantação e de manutenção varia muito, por vários fatores, dependendo necessariamente das condições locais. Na composição do cálculo de investimento e custo nesta forma de energia, levam-se em conta diversos fatores, como a produção anual estimada, as taxas de juros, os custos de construção, de manutenção, de localização e os riscos de queda dos aerogeradores. Sendo os cálculos sobre o real custo de produção da energia eólica diferem muito, de acordo com a localização de cada gerador ou grupo de geradores (SOUZA; CUNHA; SANTOS, 2013, p. 23). Nos sistemas interligados à rede, o custo depende apenas da instalação, sendo o custo de manutenção quase zero. Nos demais sistemas, isolados e híbridos, existe a manutenção das baterias, que normalmente são altos. Um exemplo de aplicação da microgeração foi encontrado no Rio Grande do Sul, onde foi realizado um projeto de instalação de um equipamento para atender uma residência de aproximadamente 42 m², sendo utilizado um aerogerador de 250 W no valor de R$ 1950,00 e um inversor de 300 W no valor de R$ 410,00. Também foram encontrados no mercado turbinas com investimento de R$ 3000,00, podendo chegar a R$ 20000,00, dependendo da demanda. 2.8 ECONOMIA DO SISTEMA Foi analisado o consumo médio de uma residência com quatro pessoas, tendo a energia fornecida pela Copel. De acordo com os aparelhos utilizados e o tempo de uso, foi constatada uma média de consumo de 350 kWh, gerando um custo de R$ 227,50 na fatura mensal de energia com uma tarifa de R$ 0,65 por kWh. Com um investimento de cerca de R$ 10000,00 pode-se utilizar até quatro aerogeradores com potência máxima de 300 W, produzindo com uma média de 5 horas por dia. Durante um mês, a quantidade total produzida pronta para consumo pode chegar a 180 kWh, representando R$ 117,00 a menos da fatura, ou seja, uma economia de 51%. Com essa produção média, em cerca de sete anos e meio o valor investido será compensado, podendo este tempo ser reduzido com o aumento da tarifa, pois o preço da produção eólica será o mesmo. 2.9 IMPACTOS AMBIENTAIS O impacto ambiental da energia eólica é praticamente insignificante, sendo seu principal problema a poluição visual, apesar de já existirem algumas preocupações com relação a barulho, interferências em televisores e acidentes com aves de rapina (HINRICHS; KLEINBACH, 2008, p. 329). Com relação à poluição visual, varia de pessoa para pessoa; deve-se apenas tomar o cuidado para que a sombra do equipamento não atrapalhe o dia a dia do indivíduo. A emissão de ruídos fica restrita a grandes parques eólicos, não tendo impactos na microgeração. O mesmo acontece com as interferências eletromagnéticas. Os acidentes com aves podem ser minimizados com a pintura das pás em vermelho; as aves tendem a mudar sua rota de migração cerca de 100 metros do aerogerador. O principal aspecto positivo é que se trata de uma energia renovável, totalmente limpa, sem danos ao meio ambiente. Por não utilizar combustíveis fósseis, por sua vez não emite gases poluentes e não produz resíduos. É uma fonte de energia com muito potencial a ser explorado e que pode possibilitar um desenvolvimento sustentável. 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS Conclui-se que a microgeração eólica é viável, pois seu custo é relativamente baixo. Tem um custo de instalação menor em relação a outras formas de microgeração com energia renovável, como por exemplo, as placas fotovoltaicas, que tem um valor de investimento maior. Necessitam de pouca manutenção e tem uma durabilidade de mais de 20 anos. Propicia uma redução significativa na fatura de energia, podendo em alguns casos, suprir metade da demanda da unidade consumidora. Com o equipamento funcionando corretamente, o valor investido é compensado em cerca de sete anos e meio. A implantação de um microgerador eólico não impacta negativamente no meio ambiente e com a popularização do sistema, os impactos ambientais de outras fontes podem ser minimizados, pois mais energia limpa será produzida. 4 REFERÊNCIAS ARGENTINO,Fábio Luiz; BEPPU, Sérgio Katsumi. Projeto e construção de turbina eólica para instalações comerciais e residenciais. [S.l.]: 2007. CONCEIÇÃO, Jeferson César da. et. al. Dimensionamento de um sistema eólico residencial. Porto Alegre: 2014. CUNHA, Rafael Borges da; SANTOS, Mario Henrique Pereira; SOUZA, Luciano Laignier. Análise da Geração de Energia Eólica. Belo Horizonte: 2013. HINRICHS, Roger A.; KLEINBACH, Merlin. Energia e Meio Ambiente. [S.l.]: Thomson, 2008. INSTITUTO IDEAL, Guia de Microgeradores Eólicos. Disponível em: <http://institutoideal.org/guiaeolica/>. Acesso em 3 de novembro de 2016. OLIVEIRA, Branca F.; PIRES, Julio César Pinheiro. Gerador eólico de baixo custo para uso residencial. [Itajaí]: 2009. OLIVEIRA, Pedro Porto de. et. al. Projeto de Geração de Energia Eólica. Santos: 2006. 1 INTRODUÇÃO 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 A Energia Eólica no Brasil e no Mundo 2.2 Potencial Eólico no Brasil 2.3 Funcionamento 2.4 Aplicação dos Sistemas de Microgeração Eólica 2.4.1 Sistemas isolados 2.4.2 Sistemas híbridos 2.4.3 Sistemas interligados à rede 2.5 Fatores que influenciam na microgeração eólica 2.5.1 Velocidade do vento 2.5.2 Altura do aerogerador 2.5.3 Relevo da região e obstáculos 2.5.4 Influência das pás 2.5.5 Rotor 2.5.5.1 Rotor de Eixo Horizontal 2.5.5.2 Rotor de Eixo Vertical 2.6 Produção de Energia 2.7 Custos 2.8 Economia do Sistema 2.9 Impactos Ambientais 3 considerações finais 4 REFERÊNCIAS
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