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Fundamentos da energia eólica 3

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AULA 3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FUNDAMENTOS DE ENERGIA 
EÓLICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Felipe Freitas 
 
 
 
02 
CONVERSA INICIAL 
Uma parte fundamental para o aproveitamento da energia eólica é saber 
como convertê-la da forma mais eficiente possível, e para isso existem normas 
que regem as melhores práticas em medição de vento, fabricação e 
desenvolvimento de aerogeradores, bem como a medição do seu desempenho. 
CONTEXTUALIZANDO 
Toda máquina desenvolvida pelo homem possui uma eficiência máxima, 
seja um aerogerador, uma turbina de avião, um gerador hidráulico, um gerador 
solar ou uma máquina a vapor. 
Fisicamente, em qualquer processo de conversão e utilização de energia, 
é possível converter uma parcela da energia de entrada, e o resto normalmente é 
desperdiçado. Isso não significa que as máquinas existentes são ineficientes, mas 
sim que, fisicamente, o homem chegou próximo do máximo de eficiência teórica 
que pode ser alcançada em diversos processos. 
TEMA 1 – LIMITE DE BETZ 
Para um aerogerador ser 100% eficiente, ele precisaria provocar uma paragem 
total na massa de ar em deslocamento que ocupa a área A1 mostrada na Figura 
1. Nesse caso, em vez de pás seria necessária uma massa sólida cobrindo 100% 
da área de passagem e o rotor não rodaria e, portanto, não converteria a energia 
cinética em mecânica. 
Foi um físico alemão que, em 1919, concluiu que nenhuma turbina eólica pode 
converter mais do que 16/27 (59.3%) da energia cinética do vento em energia 
mecânica no rotor. Até aos dias de hoje isso é conhecido como Limite de Betz ou 
Lei de Betz. Esse limite nada tem a ver com ineficiências no gerador, mas sim 
com a própria natureza das turbinas eólicas. 
Na Figura 2 é mostrada a potência disponível no vento por metro quadrado e 
a potência utilizável por metro quadrado (considerando o Limite de Betz). 
 
 
 
03 
Figura 1 – Mudança da velocidade do vento após a passagem por um aerogerador 
 
Fonte: Villena, 2011. 
Figura 2 – Potência disponível no vento e potência utilizável do vento em função 
da velocidade do vento 
 
 Fonte: CTGÁS-ER, 2012. 
TEMA 2 – DISTRIBUIÇÃO DE FREQUÊNCIA 
A forma mais utilizada para apresentar o comportamento de velocidade do 
vento durante um ano é distribuição de frequência. Nesse gráfico são mostradas 
as horas de vento por ano em função de cada velocidade de vento. Então, 
analisando-se o gráfico da Figura 3, podemos observar que durante um ano foram 
registradas aproximadamente 320 horas com uma velocidade média de 1 m/s e 
 
 
04 
570 horas com uma velocidade média de 2 m/s. É importante ressaltar que para 
o cálculo desse gráfico são consideradas 8.760 horas para um ano. 
Figura 3 – Distribuição de frequência das velocidades do vento durante um ano 
 
Fonte: CTGÁS-ER, 2012. 
TEMA 3 – CURVA DE POTÊNCIA DE UM AEROGERADOR 
Na Figura 4 é mostrada a curva de potência para um aerogerador. 
Analisando a curva de potência do aerogerador, podemos observar três 
parâmetros importantes de um aerogerador: 
a. Velocidade de partida: é a velocidade em que o aerogerador começa a 
gerar potência (2 m/s, no caso da Figura 4). 
b. Velocidade da potência nominal: é a velocidade na qual o aerogerador 
atinge a potência nominal (13 m/s, no caso da Figura 4). 
c. Velocidade de parada: é a velocidade em que o aerogerador deixa de gerar 
para evitar danos estruturais resultantes das velocidades elevadas de 
vento (25 m/s, no caso da Figura 4). 
 
 
 
05 
Figura 4 – Curva de potência do aerogerador E82 
 
Fonte: Wobben, 2017. 
A curva de potência de um aerogerador mostra que potência é gerada para 
cada velocidade. Um mesmo fabricante pode ter um aerogerador com diversos 
modelos e curvas diferentes. Os principais fatores que influenciam na curva de 
potência são densidade do ar e design das pás. Geralmente a curva de potência 
é apresentada também como uma tabela, como a apresentada a seguir. 
 
 
 
06 
Tabela 1 – Curva de potência do aerogerador E82 
Velocidade do vento m/s Potência (kW) Coeficiente de potência (-) 
1 0.0 0.0 
2 3.0 0.12 
3 25.0 0.29 
4 82.0 0.40 
5 174.0 0.43 
6 321.0 0.46 
7 532.0 0.48 
8 815.0 0.49 
9 1,180.0 0.50 
10 1,580.0 0.49 
11 1,810.0 0.42 
12 1.980,0 0.35 
13 2,050.0 0.29 
14 2,050.0 0.23 
15 2,050.0 0.19 
16 2,050.0 0.15 
17 2,050.0 0.13 
18 2,050.0 0.11 
19 2,050.0 0.09 
20 2,050.0 0.08 
21 2,050.0 0.07 
22 2,050.0 0.06 
23 2,050.0 0.05 
24 2,050.0 0.05 
25 2,050.0 0.04 
 
Fonte: Wobben, 2017. 
TEMA 4 – CÁLCULO DA ENERGIA ANUAL GERADA 
Para poder calcular a produção de um determinado aerogerador turbina em 
um lugar específico é necessário conhecer duas coisas: a curva de potência do 
aerogerador e como se comporta o vento nesse local. 
A informação acerca do vento deve ser bastante detalhada. Não é 
suficiente conhecer a velocidade média anual, também é preciso conhecer a 
distribuição de frequências: quantas horas por ano a velocidade do vento será 1, 
2, 3, 4 metros por segundo. Além da velocidade do vento, deve-se conhecer a 
altura de cubo. 
Se essa informação está disponível, é bastante simples realizar o cálculo. 
Multiplica-se a potência para cada velocidade do vento pela quantidade de horas 
que esse vento ocorre. As distribuições da frequência de vento podem estar 
disponíveis tanto em horas por ano como em porcentagem de tempo. No segundo 
 
 
07 
caso, simplesmente se multiplica a percentagem pelo número de horas em um 
ano: 8.760. 
A Tabela 2 mostra o cálculo da potência gerada por um aerogerador 
utilizando os dados de distribuição de frequências mostrada na Figura 3 e os 
valores da curva da potência de um aerogerador da Tabela 1. Para uma grande 
quantidade de dados são necessárias ferramentas matemáticas que façam o 
rápido tratamento dos dados para obtenção dos resultados. 
Tabela 2 – Cálculo da energia anual para um aerogerador 
Velocidade do vento (m/s) Potência (kW) Horas/ano Potência anual (kWh/ano) 
1 0,0 320,0 0 
2 3,0 570,0 1710 
3 25,0 740,0 18500 
4 82,0 870,0 71340 
5 174,0 900,0 156600 
6 321,0 930,0 298530 
7 532,0 870,0 462840 
8 815,0 800,0 652000 
9 1180,0 680,0 802400 
10 1580,0 580,0 916400 
11 1810,0 430,0 778300 
12 1980,0 330,0 653400 
13 2050,0 230,0 471500 
14 2050,0 190,0 389500 
15 2050,0 90,0 184500 
16 2050,0 80,0 164000 
17 2050,0 50,0 102500 
18 2050,0 40,0 82000 
19 2050,0 30,0 61500 
20 2050,0 20,0 41000 
21 2050,0 7,0 14350 
22 2050,0 3,0 6150 
23 2050,0 0,0 0 
24 2050,0 0,0 0 
25 2050,0 0,0 0 
Total 8760,0 6329020 
 
 
08 
 
Na Tabela 2 observa-se que o aerogerador, nessas condições de vento, gerará 
6,3 GWh/ano. Na Figura 5 são mostradas as curvas da potência disponível no 
vento, potência utilizável do vento e a potência gerada por um determinado 
aerogerador em função da velocidade do vento. 
Figura 5 – Potência disponível no vento, potência utilizável e potência realmente 
convertida em função da velocidade do vento 
 
Fonte: CTGÁS-ER, 2012. 
TEMA 5 – NORMALIZAÇÃO DA ENERGIA EÓLICA 
Segundo a apostila elaborada para o CTGÁS-ER (2012), 
normalização é uma atividade coletiva de elaboração de documentos 
contendo conhecimentos técnicos em forma de regras, diretrizes, ou 
características com um alto grau de ordenação que sejam destinados ao 
uso comum e repetitivo. O principal produto desta atividade é a norma, 
que deve ser estabelecida por consenso e aprovada por um organismo 
reconhecido. 
Menciona-se ainda que 
normalização desenvolve-se fundamentalmente através de organismos 
nacionais, regionais e internacionais. Os organismos nacionais buscam 
a harmonização dos interesses do governo, indústria, consumidores e 
 
 
09 
comunidade científica de seu país enquanto que os internacionais unem 
ações normativas resultantes de cooperações e acordos entre diferentes 
países. Há ainda algumas organizações e empresas que possuem seu 
sistema de normalização próprio. De uma forma geral, quanto