GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DA ENERGIA CINÉTICA CONTIDA NAS MASSAS DE AR EM MOVIMENTO (VENTOS)

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GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DA ENERGIA CINÉTICA CONTIDA NAS MASSAS DE AR EM MOVIMENTO (VENTOS) 
CUSTÓDIO, A. L. S.1; GOMES, A. O.1; AVILA, C. A.1
1Alunos (as) do 3º ano do Ensino Médio, Escola Estadual Rodrigues Alves, Itaporã-MS.
RESUMO: Atualmente vários países vêm investindo na introdução de fontes alternativas de energia e, devido aos impactos causados pelas formas tradicionais de geração de energia, estes investimentos têm aumentado significativamente. No Brasil a energia eólica vem progredindo cada vez mais e, como está relacionado na passagem de energia elétrica, busca sempre melhorias e a diminuição de gastos, não apenas em residências, mas também em indústrias, hospitais e prefeituras. Desse modo, este artigo apresenta uma revisão dos conceitos físicos relacionados ao emprego da energia cinética dos ventos na geração de eletricidade, expondo o modo de produção de energia através das massas de ar. Por fim, é possível concluir que devido as inúmeras vantagens que energia eólica traz para a sociedade em geral, desde a redução da dependência dos combustíveis fósseis até a criação de empregos, existe por outro lado desvantagens e impactos significativos principalmente no custo e uso de grandes aerogeradores, parques e usinas eólicas, que tornam difícil a implantação desse sistema.
PALAVRAS CHAVE: Energia eólica; Geração de Eletricidade; Aerogeradores.
GENERATION OF ELECTRICITY THROUGH KINETIC ENERGY IN MOVING AIR MASSES (WINDS)
ABSTRACT: Currently several countries are investing in the introduction of alternative energy sources and, due to the impacts caused by traditional forms of energy generation, these investments have increased significantly. In Brazil, wind energy is progressing more and more and, as it is related to the passage of electricity, always seeks improvements and the reduction of expenses, not only in homes, but also in industries, hospitals and city halls. Thus, this article presents a review of the physical concepts related to the use of kinetic wind energy in electricity generation, exposing the mode of energy production through air masses. Finally, it can be concluded that due to the numerous advantages that wind energy brings to society at large, from reducing dependence on fossil fuels to job creation, there are also significant disadvantages and impacts mainly on the cost and use of large wind turbines, wind farms and wind farms, which make this system difficult to implement.
KEY WORDS: Wind energy; Electricity generation; Wind generators.
1. INTRODUÇÃO
A questão energética é um dos tópicos de maior importância na atualidade e gera preocupações para a humanidade desde o início do século. A energia é fundamental para mover o mundo e a qualidade de vida de uma sociedade está intimamente ligada ao seu consumo.
É extremamente importante que as autoridades tenham desde já um plano de substituição gradual da matriz global para garantir energia às gerações futuras, uma vez que, 61% da oferta de energia primária são advindas do carvão e do petróleo e 47% da eletricidade são geradas por meio do consumo destes dois combustíveis não renováveis.
Uma opção energética sustentável à longo prazo e inesgotável, são os ventos, formados pela associação da radiação solar e da rotação planetária. É necessário apenas um potencial eólico disponível e resistir aos caprichos da natureza, para converter a energia dos ventos em energia mecânica.
A extensa costa atlântica e a topografia de um terreno relativamente plano em todo o país, que facilita a captação de ventos, favorecem o uso da energia eólica no Brasil. Além disso, os ventos ficam mais fortes na estação da seca, quando as represas hidrelétricas ficam com menos água, o que é consistente com as recomendações atuais de se buscar formas de associação entre fontes de energia renovável. 
Ademais, segundo Benedito e colaboradores (2008), as centrais de grande porte além de ficarem distantes dos centros de cargas, levam um enorme tempo entre a sua construção e a sua entrada em operação, sendo necessários altos investimentos em linhas de transmissão, o que gera um grande impacto ambiental. Assim, para expandir a oferta de eletricidade seria vantajoso gerar a própria energia para consumo, conforme a sua necessidade. Desta forma, há um incentivo em nível mundial para a inserção das fontes de energia renováveis na matriz energética, a fim de obter maior sustentabilidade e segurança energética.
Além de ser renovável, outros pontos se destacam no processo de geração da energia eólica, como ser econômica, sua rentabilidade dentre as novas tecnologias e o baixo impacto ambiental, uma vez que,não produzem emissões ou resíduos sólidos perigosos. Ao contrário de uma usina hidrelétrica ou nuclear, a usina eólica não oferece perigo de vazamento de combustível (BNDES, 2009).
Se a tendência do aumento de energia elétrica se confirmar nos próximos anos num nível acima da inflação e o custo destes equipamentos tanto eólicos como fotovoltaicos caírem ainda mais, o custo da geração de energia em sistemas distribuídos seja equiparada ao sistema convencional (CIAMPONI, 2015).
Desse modo, este artigo apresenta uma revisão dos conceitos físicos relacionados ao emprego da energia cinética dos ventos na geração de eletricidade, expondo os componentes e aplicações desse sistema de produção de energia através das massas de ar e quais os benefícios e desvantagens do mesmo.
2. A ENERGIA EÓLICA E SEU HISTÓRICO
A energia eólica transforma a energia do vento em energia utilizável, através da conversão de energia cinética de translação em energia cinética de rotação, obtendo assim, energia de forma renovável e limpa, pois não produz poluentes. As matrizes energéticas, em predominância, fazem uso acentuado de combustíveis fósseis ou minerais, ou seja, não renováveis, como o petróleo, carvão, gás natural e urânio para produção de energia nuclear (BARBIERI, 2007). Destaca-se, que os poluentes emitidos ao longo desses processos não se concentram, necessariamente, em contexto regional, podendo atingir outros países em decorrência da relação de interdependência entre os ecossistemas (BARBIERI, 2007).
Apesar de parecer atual, a energia eólica é conhecida por mais de 3 mil anos, onde era empregada para bombear ou drenar água, moer grãos e outras atividades que necessitavam de força mecânica, através de moinhos (MARTINS, GUARNIERI E PEREIRA, 2008). Acredita-se que essa técnica teve origem na Pérsia, por volta de 200 a.C..Porém, há registros de que a China (por volta de 2000 a.C.) e o Império Babilônico (por volta 1700 a.C) já utilizavam de cata-ventos rústicos para irrigação.
Com o passar dos anos, a utilização da força dos ventos começa a deixar de ser somente para gerar força mecânica e passa a ser aproveitada na produção de energia elétrica. As primeiras tentativas de gerar energia elétrica a partir das massas de ar em movimento surgiram no final do século XIX.
Em 1888, Charles F. Bruch, um profissional especializado em eletrificação em campo, construiu no município de Cleveland, Ohio, o primeiro cata-vento, com a finalidade de gerar energia elétrica. Tratava-se de um cata-vento que cedia 12 kW em corrente contínua para o abastecimento de baterias as quais eram designadas, principalmente, para o fornecimento de energia para 350 lâmpadas incandescentes. (CRESESB, 2008)
A Rússia, em 1931, fez a primeira tentativa bem sucedida de se conectar um aerogerador de corrente alternada com uma usina termelétrica (CRESESB, 2008). Porém, somente na década de 1970, com a crise internacional do petróleo, essa fonte de geração de energia passou a ser usada em escala comercial.
A primeira turbina eólica comercial ligada à rede elétrica pública foi instalada em 1976, na Dinamarca. Com o avanço tecnológico, os aerogeradores se tornaram aptos a gerar uma quantidade maior de energia, até que surgiram as primeiras usinas eólicas.
No caso do Brasil, o país é favorecido em termos de ventos, que se caracterizam por uma presença duas vezes superior à média mundial. Aliado a issoe aos diversos levantamentos e estudos realizados e em andamento, dando suporte e motivando a exploração comercial da energia eólica no País, percebe-se um aumento na utilização dessa tecnologia.
Apesar dos múltiplos trabalhos e pesquisas cientificas feitas nos anos de 70 e 80, somente no ano de 1992, através de um acordo entre a Companhia de Energética de Pernambuco (CELPE), o Centro Brasileiro de Energia Eólica (CBEE) e a instituição dinamarquesa FOLKCENTER, houve a instalação de uma turbina de 75 kW na ilha de Fernando de Noronha, dando inicio à geração de energia eólica no Brasil.
Outro destaque é o estado do Ceará, uma vez que, foi um dos primeiros locais a realizar um programa de levantamento do potencial eólico. Outros estados como o Paraná, Santa Catarina, Minas Gerais, litoral do Rio de Janeiro e de Pernambuco e na ilha de Marajó, também realizaram medições.
O setor elétrico no Brasil mostrou um crescimento avançado após a criação do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa) em 2002. No ano de 2017, o Brasil alcançou 10,8 GW de energia eólica em operação, o que representa 7,1% da matriz elétrica brasileira. 
Estima-se que até 2020 o país terá em torno de 600 parques eólicos em atividade, dos quais aproximadamente 30% foram desenvolvidos pela Casa dos Ventos. Esses parques terão a potência estabelecida de 17,9 GW, e representarão em torno de 10% da energia gerada no Brasil.
3. SISTEMA DE PRODUÇÃO
3.1 COMPONENTES DE UM SISTEMA DE PRODUÇÃO
A transformação da potência do vento em energia elétrica é feita por equipamentos denominados aerogeradores ou turbinas eólicas, que segundo Wenzel (2007) são utilizadas em conjunto com geradores para produzir eletricidade. Os aerogeradores são grandes turbinas na forma de um cata vento ou um moinho, colocados em lugares com muito vento e que produz, com o movimento da hélice, um campo magnético. Esse movimento, através de um gerador, produz energia elétrica.
Para que a produção de energia seja rentável é necessário agrupar, em parques eólicos, concentrações de aerogeradores. Podem também, ser usados isoladamente, para alimentar localidades remotas e distantes da rede de transmissão.
O sistema eólico é composto por (Figura 1): geradores, que transformam a força cinética do vento em eletricidade, e estes são dimensionados de acordo com a energia necessária; inversores, que transformam a corrente contínua (CC) das baterias em corrente alternada (CA) e sincronizar a energia gerada com a energia da rede elétrica; e torres, onde o aerogerador é instalado, posicionando-o em uma altura suficiente para que a energia gerada pelo vento possa ser aproveitada.
No caso de sistemas Off-Grid, têm se ainda: controladores de carga, que controlam a carga das baterias, evitando sobrecargas ou descargas exageradas na bateria, aumentando sua vida útil e desempenho; e baterias, que armazenam a energia elétrica para que o sistema possa ser utilizado quando não houver sol.
Figura 1: Componentes de um sistema eólico de geração de energia.
Fonte: http://www.eletrovento.com.br
A evolução da tecnologia e os critérios definidos pela ANEEL (ANEEL, 2005), resultaram em turbinas eólicas de diversos tamanhos, de acordo com a potência instalada: aerogeradores de pequeno, médio e de grande porte.
As turbinas de pequeno porte não possuem sensor de direção de vento e são orientadas pela existência de um leme localizado em sua região posterior. Estes aerogeradores possuem capacidade de geração de até 500kW de potencia nominal. As turbinas de pequeno porte ainda não são utilizadas em residências devido ao custo benefício, ou seja, não é viável economicamente (GRIESER.B, et al, 2015).
Figura 2 - Turbina Eólica de Pequeno Porte
Fonte: CBEE, 2003 apud ANEEL, 2005.
As turbinas de médio porte operam com capacidade de geração de 500kW até 1000kW (1MW) de potencia nominal (figura 3).
Figura 3 - Turbina Eólica de Médio Porte
Fonte: CBEE, 2003 apud ANEEL, 2005.
Já as turbinas de grande porte são aquelas com capacidade de geração superior a 1MW de potencia nominal, conforme vista na figura 4.
Figura 4 - Turbina Eólica de Grande Porte.
Fonte: CBEE, 2003 apud ANEEL, 2005
Além disso, em função do seu eixo de rotação, existem dois tipos de aerogeradores: de eixo horizontal que é fisicamente menor e mais eficiente e o seu eixo de rotação está paralelamente orientado em relação ao eixo de direção do vento; e o de eixo vertical, que é melhor esteticamente, mas fisicamente um pouco maior e menos eficiente, porém sua vantagem é de não necessitarem de mecanismos de controle para a direção do vento, diminuindo assim a complexidade do projeto (Figura 5).
Figura 5: Tipos de aerogeradores.
Fonte: https://axionconstrucoes.wordpress.com
Os aerogeradores horizontais são os mais utilizados devido à capacidade de alcançar ventos mais potentes, pois possuem altura mais elevada da torre, entretanto, necessitam de um sistema de controle a fim de garantir que o rotor esteja posicionado na direção da predominância do vento (VERDUM, 2013).
As turbinas eólicas que possuem um número maior de pás, provavelmente teriam melhores rendimentos, porém não o suficiente para compensar o custo de produção e a maior dificuldade no balanceamento das pás. Já com um menor número de pás, a máquina ficaria mais barata e mais fácil de balancear, no entanto, apresentam uma eficiência menor e sua operação apresentaria uma vibração indesejada, principalmente nas mudanças de direção do vento.
Dessa forma, a maioria dos fabricantes opta por sistemas com 3 pás pela relação custo benefício e pelo grau de dificuldade no balanceamento. O número de pás está relacionado com o projeto do fabricante.
Com o passar do tempo as turbinas eólicas passaram a apresentar as seguintes características: eixo de rotação horizontal, três pás, alinhamento ativo, gerador de indução e estrutura não flexível. Os componentes de um aerogerador pode ser visto na figura 6.
Figura 6: Componentes de uma turbina eólica: 1 - Fundação, 2 - Conector à rede elétrica, 3 - Torre, 4 - Escada, 5 - Controle de orientação (Yawcontrol), 6 - Nacelle, 7 - Gerador, 8 - Anemômetro, 9 - Freio elétrico ou mecânico, 10 - Caixa de velocidades, 11 - Lâmina, 12 - Controle de orientação (pitchcontrol), 13 - Roda.
Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_e%C3%B3lica
3.2 APLICAÇÕES DOS SISTEMAS EÓLICOS
Por meio de sensores de velocidade e direção do vento é possível medir a energia eólica e seus dados são armazenados num sistema de aquisição de dados (datalogger). Em geral, a velocidade do vento é medida em m/s (metros/segundo), podendo ainda ser medida em outras unidades, tais como nós e km/h. Além de conhecer a velocidade máxima dos ventos, intensidade de turbulência e distribuição estatística das velocidades, é possível obter a velocidade média do vento. E para registrar a predominância dos ventos são utilizados os sensores de direção.
Um sistema eólico pode ser utilizado em sistemas isolados, híbridos ou integrados. Os sistemas obedecem a uma configuração básica, necessitam de uma unidade de controle de potência e, em determinados casos, de uma unidade de armazenamento (CRESESB, 2008).
Os sistemas isolados armazenam energia através de baterias, com o objetivo de utilizar aparelhos elétricos, e servem para garantir o fornecimento de energia quando não houver vento. Essas baterias requerem um dispositivo para controlar a carga e a descarga da bateria, tendo como principal objetivo evitar danos à bateria por sobrecarga ou descarga profunda.
O carregamento de equipamentos que operam com corrente alternada (CA) utilizam um inversor, que normalmente contém um seguidor do ponto de máxima potência fundamental para otimização da potência gerada, empregado no uso de eletrodomésticos convencionais (Figura 7).
O acúmulo nos sistemas isolados pode, ainda, ser realizado através de energia gravitacional, armazenando a água bombeada em reservatórios. Alguns sistemas, como de irrigação não necessitam de armazenamento, pois a água bombeada é imediatamente consumida.Figura 7: Configuração de um sistema eólico isolado.
Fonte: (CRESESB, 2005).
Os sistemas híbridos utilizam diferentes formas de geração de energia, como turbinas eólicas, módulos fotovoltaicos, geração diesel, etc.(Figura 8), além disso, são desconectados da rede convencional. Devido a sua complexidade, esse sistema requer a otimização do uso de cada uma das fontes e utiliza um inversor, uma vez que, trabalha com cargas em correntes alternadas. Desse modo, é preciso controlar todas as fontes para uma máxima eficiência na entrega da energia para o usuário.
Figura 8: Configuração de um sistema híbrido solar-eólico-diesel.
Fonte: (CRESCEB, 2008).
Os sistemas integrados à rede (Figura 9) entregam a energia direta para a rede elétrica, dessa forma, não utilizam sistemas de armazenamento de energia. Por operarem em maior escala e com fins comerciais, estes sistemas utilizam um grande número de aerogeradores. O total de potência instalada no mundo de sistemas eólicos interligados à rede soma aproximadamente 120 GW (WWEA, 2009).
Figura 9: Parque eólico conectado à rede – Parque Eólico da Prainha – CE.
Fonte: (CRESCEB, 2008).
Outra aplicação de energia eólica é o sistema off-shore (Figura 10), onde a estrutura de produção é instalada no mar. Este, utiliza redes elétricas para enviar energia ao continente, aproveitando os ventos fora da costa. Em consequência da diminuição de áreas com potencial eólico em terra, as instalações off-shore têm crescido muito, apesar de apresentar maior custo de transporte, instalação e manutenção.
Dessa forma, a indústria eólica tem investido naevolução tecnológica de adaptação das turbinas eólicas clássicas tradicionais para serem utilizadas no mar. Além disso, os projetos off-shore requerem estratégias especiais para sua instalação, operação e transporte das máquinas.
Figura 10: – Parque eólico instalado no mar do norte.
(Fonte: BRITSC, 2005)
Um trabalho de coleta e análise de dados sobre o regime de ventos e a velocidade dos mesmos é necessário para avaliar o potencial eólico de uma localidade ou região.
4. OS BENEFÍCIOS DA ENERGIA EÓLICA
Além dos benefícios da geração de energia eólica, como o baixo impacto ambiental, a redução das emissões de poluentes e a flexibilidade na implantação, existem outras, que são de caráter social, as quais ficam nítidas com o desenvolvimento da fonte.
É fato que a energia eólica tem a propensão de agredir menos o meio ambiente. Entretanto, tratando-se de impactos visuais há quem considere que uma usina eólica produza uma poluição visual. Ademais, existe a questão sonora que seria o ruído que as turbinas geram de acordo com a velocidade dos ventos. Portanto, as implantações destas usinas têm que ser isoladas de locais urbanos, pois causará incômodo para a população. (CASTRO, 2009).
A instalação de energia eólica no Brasil vem progredindo cada vez mais, fica visível que o sistema é desprovido de fontes sustentáveis, evidencia-se que os meios de comunicação vêm mostrando usinas com a eficiência de gerar energia de modo reduzido, ocasionando várias consequências, dentre elas está o aumento das taxas, por coerência, a energia não apresenta uma substituta a não ser ela mesma. (SANTOS, 2007).
4.1 VANTAGENS
A energia eólica é totalmente renovável e considerada uma energia econômica e rentável dentre as novas tecnologias. Criam alternativas para agricultores que arrendem a sua terra, uma vez que,há a possibilidade de ocupação do solo,por lavoura ou pastagem, no perímetro da usina eólica2.Além disso, não produzem emissões ou resíduos sólidos perigosos e é praticamente livre de desapropriações e impactos sociais.A energia eólica gera turismo a comunidades locais e se mostra compatível com outras formas de uso do terreno.
4.2 DESVANTAGENS
Por outro lado, entre os principais impactos negativos das usinas eólicas destacam-se os sonoros e os visuais. Os impactos sonoros são devidos ao ruído dos rotores e variam de acordo com as especificações dos equipamentos (ARAÚJO, 1996). Os impactos visuais são decorrentes do número de aerogeradores, como nas fazendas eólicas, que gera uma grande modificação da paisagem.
Os aerogeradores podem ocasionar interferência eletromagnética, que podem causar perturbações nos sistemas de comunicação e transmissão de dados (TAYLOR, 1996), além de ter baixo fator de capacidade (Fc = Energia Produzida/Energia Instalada). 
Outra desvantagem é o tempo de duração do projeto, que pode levar até três anos, sendo necessário um monitoramento, ou seja, medição do vento por um período de no mínimo um ano. Além disso, há uma grande distância entre o sítio e as linhas de transmissão. 
Há ainda um impacto sob a fauna de animais voadores, ou seja, interfere nas rotas de aves, o que é devidamente considerado nos estudos e relatórios de impactos ambientais (EIA/RIMA).
CONCLUSÃO
Para conter a intensidade das mudanças climáticas nos próximos anos, faz-se urgente a alteração do atual modelo energético global. A energia eólica tem um futuro ainda mais promissor com a conscientização pública das suas vantagens como fonte renovável de energia e a progressiva competitividade econômica. As questões ambientais estão cada vez mais difundidas e atitudes em favor ao meio ambiente estão se tornando parte integrante dos processos.
Brasil conta com um fator natural que dá à geração de energia eólica um caráter estratégico. Os períodos de escassez de chuvas e vazantes dos rios, que podem comprometer a geração de energia hidrelétrica, coincidem com os períodos em que os ventos são mais fortes e intensos.
Concluiu-se que o consumo de fontes de energia eólica podem, posteriormente, ajudar o país. O emprego da energia constitui uma série de melhorias futuras para o país, dentre elas, que os parques eólicos despendem-se um pequeno espaço físico, agrega no lucrototal das comunidades integradaspelas centrais eólicas, fornecepossibilidades de empregos provisórios, proporciona inúmeros benefícios locais, influencia o desenvolvimento sustentável, não manifesta poluentes, não afeta a superfície, pode ser reutilizado, dentre outros.
Mesmo apresentando, como toda tecnologia energética apresenta, algumas características ambientais desfavoráveis, , conforme visto neste trabalho, o aproveitamento dos ventos para geração de energia elétrica deve ser encorajado e algumas destas características podem ser significativamente minimizadas e até mesmo eliminadas com planejamento adequado e inovações tecnológicas.
REFERÊNCIAS
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BNDES Setorial. Um panorama da ind˙stria de bens de capital relacionados à energia eólica. Rio de Janeiro, n. 29, p. 229-278, mar. 2009.
CRESESB. Centro e Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito. Energia Eólica, s.d. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/>. Acessoem: 15 Nov. 2019.
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VERDUM, Valdirene. Projeto de aerogerador com segurança inerente para aplicação
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