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Ilustração de Turbinas eólicas

Turbinas Eólicas ou Aerogeradores

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Já pensou que você pode parar de pagar sua (s) conta (s) de luz e produzir sua própria energia elétrica de forma sustentável utilizando turbinas eólicas? Isso mesmo, é possível produzir toda sua demanda de energia elétrica utilizando as forças do vento!

Confira todos os detalhes, os tipos de turbina eólica (aerogeradores) existentes no mercado que podem ser implementados, em menores escalas, em sua residência, prédios, empresas, até em condomínios e fazendas para produzir sua própria energia elétrica.

Como funciona uma turbina eólica (aerogerador)?

Com o crescimento da população mundial, a demanda por energia elétrica aumenta para atender às necessidades. Em paralelo, as soluções tecnológicas avançaram e atualmente podemos aproveitar os recursos naturais renováveis, de forma ainda mais sustentável, para produção de nossa própria energia. Nesse cenário de sustentabilidade, explorar a circulação e energia dos ventos é, também, uma forma inteligente e sustentável de suprir a elevada demanda energética nacional, além de diversificar a matriz energética brasileira.

Segundo a ANEEL, em 2019 o Brasil possuía cerca de 14,7 GW de potência instalada de aerogeradores para produção de energia elétrica. Para produzir energia elétrica a partir das forças dos ventos, são necessários ventos com velocidade e constância suficiente para atingir as condições de início de produção de energia de cada tipo e modelo das tecnologias existentes no mercado. Sendo assim, há sempre a necessidade de estudos prévios para implementação de usina eólica.

A palavra eólica tem sua origem na mitologia grega, da Grécia antiga, na qual Éolo é o Deus grego que controlava a força dos ventos. Já as turbinas eólicas, aerogeradores, geradores eólicos e máquinas eólicas são as distintas denominações utilizadas para essas tecnologias que transformam a energia cinética dos ventos em energia mecânica e em energia elétrica, nos permitindo produzir energia a partir dos ventos e utilizá-la em nosso dia a dia.

Como identificar a força dos ventos no Brasil

O CRESESB (Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito) em parceria com o CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica) criaram o Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, no qual tem como objetivo fornecer informações, para capacitar os empreendedores e investidores na identificação de áreas adequadas para aproveitamentos das forças dos ventos, em todo território nacional, para produção de energia elétrica. Clique aqui e veja o FAQ eólica da CRESESB. Além desse atlas nacional, existe o Atlas Eólico de Minas Gerais, proporcionando as principais informações sobre os ventos que sopram nos mares de morros mineiros.

Para o sucesso da implantação dessa tecnologia e obter bons rendimentos financeiros de forma segura, é necessário conhecer as informações a respeito do histórico da velocidade média do vento do local de instalação. Vale lembrar que a velocidade do vento varia com a localização geográfica e a altitude, podendo existir alterações instantâneas, diárias, sazonais e anuais. Além disso, construções (edifícios, pontes, ou quaisquer outros monumentos de grande porte) podem afetar o fluxo dos ventos e comprometer a eficiência da produção de energia elétrica ao longo do ano.

Quer saber qual é a intensidade dos ventos de sua região?

Descubra a intensidade dos ventos na sua região a partir das coordenadas GPS

O princípio de funcionamento das turbinas eólicas é o mesmo das turbinas hidráulicas, considerando a principal diferença apenas a atuação dos ventos como a força motriz. O real local de instalação das turbinas eólicas deve ser conhecido, pois informações a respeito da velocidade, direção e duração do vento são fundamentais. Teoricamente, se a velocidade do vento dobrar é possível quadruplicar a energia cinética e aumentar, significativamente, o potencial de produção de energia elétrica. Esse fator é “teórico” porque, em condições reais, há um limite denominado de Lei de Betz para a quantidade de energia elétrica que uma turbina eólica pode converter do aproveitamento das forças do vento. Através de equipamentos denominados anemógrafos é possível monitorar essas informações como a velocidade e a direção dos ventos.

Breve histórico das turbinas eólicas

As primeiras turbinas eólicas surgiram na Dinamarca ainda no final da década de 1970 e possuíam potências nominais inferiores a 50kW. No início da década de 1990, a capacidade de produção aumentou e a maioria dos fabricantes das grandes turbinas ofereciam no mercado modelos com potência de até 750kW. Já no início dos anos 2000, foram introduzidas comercialmente as turbinas eólicas de produção de 1MW e 1,5MW, iniciando a geração de máquinas eólicas de grande porte (Atlas ANEEL).

Em função da diversidade de turbinas e modelos existentes no mercado, a velocidade na qual os aerogeradores começam a girar encontra-se na faixa de velocidade de 3 a 5m/s. Contudo, vale destacar que ventos com velocidades inferiores à 5m/s, de forma geral, proporcionam baixas produções de energia ou até mesmo inviabilizam o projeto. É importante identificar, estudar e avaliar o real local de instalação das turbinas eólicas antes de iniciar com o projeto da mesma e, para isso, deve-se realizar um estudo das características dos ventos.

Vantagens e benefícios das turbinas eólicas ou aerogeradores

A produção de energia elétrica aproveitando as forças dos ventos possui diversas vantagens e benefícios para toda a sociedade, a saber:

  • Fonte de energia renovável;
  • Produção de energia sustentável;
  • Baixíssimos impactos nos ecossistemas onde são instaladas;
  • Baixa emissão de ruídos;
  • Contribuição para diversificação da matriz energética brasileira;
  • Proporcionam novos empregos.

Todas essas vantagens juntas fazem com que a energia eólica cresça significativamente no Brasil e no Mundo.

Tipos de aerogeradores (turbinas eólicas de eixo vertical e horizontal)

Atualmente existe uma diversidade de turbinas eólicas no mercado, com distintas capacidades de produção energética (kWh), para atender diferentes demandas de energia elétrica e diferentes condições climáticas. Esses aerogeradores são classificados em função da posição do eixo de rotação da turbina eólica, podendo ser:

  • Turbina eólica de eixo horizontal;
  • Turbina eólica de eixo vertical.

Quanto ao porte (produção de energia), as turbinas eólicas são classificadas em função de sua potência nominal, e a legislação da ANEEL as enquadram em três faixas, a saber:

  • Pequena – potência nominal menor que 500kW;
  • Média – potência nominal entre 500kW a 1.000kW;
  • Grande – potência nominal maior que 1MW.

As tecnologias atuais oferecem uma ampla variedade de opções, atendendo as especificidades das demandas energéticas, juntamente, com as características do local de instalação. No que diz respeito à instalação, as turbinas eólicas são classificadas como geração distribuída e podem ser conectadas à rede elétrica (on grid) ou destinadas ao suprimento de eletricidade de comunidades isoladas (off grid), como em residências, fazendas em áreas remotas e até em plataformas de exploração de petróleo em alto mar, onde não possuem rede elétrica. Em ambas configurações, a instalação exige apenas constância de ventos fortes ou moderados. A seguir são apresentadas as principais características das turbinas eólicas de eixo vertical e de eixo horizontal.

Turbina eólica de eixo vertical (TEEV)

Nessa configuração de turbinas eólicas de eixo vertical (TEEV), o vento atinge perpendicularmente o eixo de rotação da turbina (fixado verticalmente), promovendo a transformação da energia cinética dos ventos em energia mecânica e, consequentemente, em energia elétrica (corrente contínua). As TEEV atuais são tão elegantes e graciosas que são usadas, literalmente, como obras de arte em hotéis e shopping centers e locais turísticos em centros urbanos.

As principais vantagens das turbinas eólicas de eixo vertical (TEEV) quando comparados às horizontais são:

  • Menor complexidade do projeto e menores investimentos;
  • São equipamentos tecnológicos de pequeno porte (potência nominal inferior a 50kw) e, portanto, necessitam de ventos com menores velocidades;
  • Os principais equipamentos e componentes estão na base dos aerogeradores – próximo ao solo – proporcionando maior segurança operacional durante a produção de energia elétrica em centros urbanos;
  • Manutenção minimizada e com baixos custos;
  • Não necessitam de mecanismos de acompanhamento e orientação para variações de direção e velocidade dos ventos;
  • Design rudimentar;
  • Bom desempenho para aplicações de alta turbulência e flutuações dos ventos, acarretando maior tempo de operação.

A principal desvantagem das TEEV é a menor eficiência de produção de energia elétrica quando comparado com as turbinas eólicas de eixo horizontal. Contudo, a soma de todas as vantagens supracitadas têm proporcionado um aumento nas vendas dessas TEEV tanto em regiões remotas (alto de montanhas, offshore), quanto em grandes centros urbanos (arranha-céus) e em estradas e rodovias.

Para serem instaladas nos centros urbanos, as TEEV devem ser de pequeno porte, nas quais o diâmetro do rotor possuem pequenas dimensões. O menor porte dessas turbinas proporciona maior compatibilidade com os projetos tradicionais e modernos, além de serem esteticamente preferidas por arquitetos e usuários conservadores. A integração das turbinas eólicas verticais na sociedade é mais aceitável do que as turbinas de eixo horizontal.

Classificações e tipos de turbinas eólicas de eixo vertical (TEEV)

Os principais tipos de turbinas eólicas de eixo vertical de pequeno e médio porte, encontrados no mercado com custos benefícios atrativos para instalação em residências, são: Savônius; Darrieus e Panemone. As principais características desses modelos de TEEV são apresentadas a seguir. Vale destacar que a China é a detentora do maior número de publicações científicas e patentes registradas no segmento da energia eólica nos últimos 5 anos.

Já as forças de atuação dos ventos sobre essas diferentes turbinas, para movimentação e torque, podem ser do tipo: força de arrasto e força de sustentação, bem como suas combinações. A Figura 01 apresenta os tipos de turbinas eólicas de eixo vertical, bem como as forças de atuação dos ventos.

Turbina do tipo Savonius

Turbina eólica de eixo vertical do tipo Savonius
Turbina eólica de eixo vertical do tipo Savonius

Esse tipo de turbina foi desenvolvido e patenteado por Sigurd J. Savonius, em meados de 1929 na Finlândia e patenteado nos EUA. Esse rotor atua sob as força de arrasto, predominantemente, mas existe contribuição da força de sustentação, as quais proporcionam a rotação da turbina.

É por causa deste mecanismo (combinação das forças de arrasto e sustentação) que uma Savonius é capaz de desenvolver alto torque de partida mesmo sob baixas velocidades de vento, acarretando baixo custo de implantação e reduzidos impactos ambientais. Essas turbinas funcionam com ventos de qualquer direção e possuem diversos modelos, os quais visam maximizar a eficiência dessas turbinas.

Turbinas eólicas de eixo vertical do tipo Savonius
Turbina eólica de eixo vertical do tipo Savonius

Podem ser consideradas desvantagens do rotor Savonius a limitação da velocidade de rotação da turbina (força de arrasto) e baixa eficiência energética, quando comparado ao rotor baseado no princípio das forças de sustentação.

Turbina do tipo Darrieus

Turbinas eólicas de eixo vertical do tipo Darrieus
Turbina eólica de eixo vertical do tipo Darrieus

Esse tipo de turbina foi desenvolvida por volta da década de 1920 pelo francês G.J.M Darrieus, cuja patente pode ser verificada aqui. A principal força motriz dessas turbinas são as forças de sustentação.

As turbinas do tipo Darrieus possuem rendimentos superiores às Savonius e, basicamente, constituem-se de hélices de lâminas curvas ou retas ou helicoidais (duas ou três) de perfil aerodinâmico atadas pelas extremidades e pelo eixo vertical, criando sustentação para se movimentar e gerar energia elétrica. Esses rotores podem atingir alta velocidade, com um torque de partida aproximadamente nulo.

A única desvantagem deste modelo de turbina eólica em relação as turbinas de pás tradicionais é sua maior complexidade de projeto e fabricação devido ao seu design em forma de hélice.

Turbinas eólicas de eixo vertical do tipo Darrieus
Turbina eólica de eixo vertical do tipo Darrieus

Turbina Eólica Panemone

Esse tipo de turbina , provavelmente, foi a primeira turbina eólica. Sua patente foi obtida em meados da década 1980 e para acessá-la, basta clicar aqui. Essa configuração de turbina é fundamentada nas máquinas eólicas mais antigas construídas pelos povos persas.

Turbinas eólicas de eixo vertical do tipo Panemone
Turbina eólica de eixo vertical do tipo Panemone

As forças de arrasto são as principais atuantes sobre esse tipo de turbina, por mais que as forças de sustentação também estão presentes em minoria. O rotor inclui uma pluralidade de palhetas dispostas verticalmente e presas pelas suas extremidades.

As turbinas panemone possuem como característica principal o eixo rotativo posicionado verticalmente e as pás movem-se paralelamente ao vento (conhecida como moinho de vento). Atualmente, essas são as turbinas de menores eficiências do mercado.

Turbinas eólicas de eixo horizontal – TEEH

As grandiosas turbinas eólicas de eixo horizontal (TEEH) estão instaladas em diversos locais em todo o continente e são extremamente eficientes. No Brasil os parques eólicos cobrem áreas estratégicas para produção de energia elétrica. Essas turbinas possuem o eixo de rotação horizontal e em paralelo ao chão (turbina eólica de eixo horizontal ‑ TEEH).

Possuem torres de sustentação de distintos tamanhos, variando de dezenas até uma centena de metros de altura (equivalente a um prédio de 30 a 40 andares). Suas pás variam de poucos metros a 90m, os quais juntos (torre + rotor) alcançam até 200m. Além de sua monstruosidade, uma única turbina pode possuir potência de até 8MW, suficiente para abastecer com energia elétrica milhares de famílias.

Turbina eólica de eixo horizontal - TEEH
Turbina eólica de eixo horizontal – TEEH

Atualmente a maior turbina eólica de eixo horizontal (Haliade-X12MW) está sendo construída na Holanda pela empresa GE Renewable Energy® com inauguração agendada para 2021. Sua capacidade de produção é de 67 GWh por ano. Quer assistir a uma instalação de uma turbina eólica de eixo horizontal de 8MW da Vestas®?  Surpreenda-se com a magnitude dessa belíssima engenharia sustentável.

As TEEH são classificadas em função da posição do rotor e pás para com o fluxo do vento, podendo ser upwind e downwind. As turbinas #upwind possuem o rotor eólico posicionado pouco à frente da torre, conduzindo a passagem do vento, diretamente, pelas pás. Mesmo que essa configuração requer um rigoroso sistema de controle de orientação para com a direção dos ventos, é a mais implementada nas TEEH de grande porte. Já as turbinas #downwind possuem uma inclinação no posicionamento do sistema, permitindo que os ventos passem, primeiro, por trás da turbina eólica e depois por suas pás. Veja a Figura 06 para entender as classificações da TEEH.

Esquema de aproveitamento dos ventos pelos diferentes tipos de turbinas eólicas
Esquema de aproveitamento dos ventos pelos diferentes tipos de turbinas eólicas

Conclusão

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