A energia eólica provém da radiação solar uma vez que os ventos são gerados pelo aquecimento não uniforme da superfície terrestre. Uma estimativa da energia total disponível dos ventos ao redor do planeta pode ser feita a partir da hipótese de que, aproximadamente, 2% da energia solar absorvida pela Terra é convertida em energia cinética dos ventos. Este percentual, embora pareça pequeno, representa centena de vezes a potência anual instalada nas centrais elétricas do mundo.
Os ventos que sopram em escala global e aqueles que se manifestam em pequena escala são influenciados por diferentes aspectos entre os quais destacam-se a altura, a rugosidade, os obstáculos e o relevo.
A seguir serão descritos os mecanismos de geração dos ventos e os principais fatores de influência no regime dos ventos de uma região.
A energia eólica pode ser considerada como uma das formas em que se manifesta a energia proveniente do Sol, isto porque os ventos são causados pelo aquecimento diferenciado da atmosfera. Essa não uniformidade no aquecimento da atmosfera deve ser creditada, entre outros fatores, à orientação dos raios solares e aos movimentos da Terra.
As regiões tropicais, que recebem os raios solares quase que perpendicularmente, são mais aquecidas do que as regiões polares. Consequentemente, o ar quente que se encontra nas baixas altitudes das regiões tropicais tende a subir, sendo substituído por uma massa de ar mais frio que se desloca das regiões polares. O deslocamento de massas de ar determina a formação dos ventos. A Figura 1 a seguir apresenta esse mecanismo.
Figura 1 - Formação dos ventos devido ao deslocamento das massas
de ar.
Existem locais no globo terrestre nos quais os ventos jamais cessam de "soprar" pois os mecanismos que os produzem (aquecimento no Equador e resfriamento nos pólos) estão sempre presentes na natureza. São chamados de ventos planetários ou constantes e podem ser classificados em:
Ventos que sopram dos trópicos para o Equador, em baixas altitudes.Contra-Alísios: ventos que sopram do Equador para os pólos, em altas altitudes.Ventos do Oeste: ventos que sopram dos trópicos para os pólos.
Ventos frios que sopram dos pólos para as zonas temperadas.
Tendo em vista que o eixo da Terra está inclinado de 23,5o em relação ao plano de sua órbita em torno do Sol, variações sazonais na distribuição de radiação recebida na superfície da Terra resultam em variações sazonais na intensidade e duração dos ventos, em qualquer local da superfície terrestre.
Como resultado surgem os ventos continentais ou periódicos e compreendem as monções e as brisas.As monções são ventos periódicos que mudam de direção a cada seis meses aproximadamente. Em geral, as monções sopram em determinada direção em uma estação do ano e em sentido contrário em outra estação.Em função das diferentes capacidades de refletir, absorver e emitir o calor recebido do Sol inerentes à cada tipo de superfície (tais como mares e continentes) surgem as brisas que caracterizam-se por serem ventos periódicos que sopram do mar para o continente e vice-versa.
No período diurno, devido à maior capacidade da terra de refletir os raios solares, a temperatura do ar aumenta e, como conseqüência, forma-se uma corrente de ar que sopra do mar para a terra (brisa marítima). À noite, a temperatura da terra cai mais rapidamente do que a temperatura da água e, assim, ocorre a brisa terrestre que sopra da terra para o mar. Normalmente, a intensidade da brisa terrestre é menor do que a da brisa marítima devido à menor diferença de temperatura que ocorre no período noturno.
Sobreposto ao sistema de geração dos ventos descrito acima encontram-se os ventos locais, que são originados por outros mecanismos mais específicos. São ventos que sopram em determinadas regiões e são resultantes das condições locais, que os tornam bastante individualizados.
A mais conhecida manifestação local dos ventos é observada nos vales e montanhas. Durante o dia, o ar quente nas encostas da montanha se eleva e o ar mais frio desce sobre o vale para substituir o ar que subiu. No período noturno, a direção em que sopram os ventos é novamente revertida e o ar frio das montanhas desce e se acumula nos vales.
De uma forma geral, os movimentos das massas de ar na atmosfera (vento) processam-se em regime turbulento. Sendo assim, a velocidade instantânea do vento é descrita simplificadamente como um valor médio acrescido de um desvio a partir da média (flutuação), tal que:
onde 
é
a velocidade média do vento e v’ é a flutuação.
Na prática, para algumas aplicações, leva-se em consideração
apenas a intensidade da velocidade média .
A maioria dos instrumentos de medição, devido a sua configuração,
"filtra" as flutuações e fornece somente o valor da
velocidade média.
A direção do vento também é um importante parâmetro a ser analisado pois mudanças de direção freqüentes indicam situações de rajadas de vento. Além disso, a medida da direção do vento auxilia na determinação da localização das turbinas em um parque eólico. Devido à existência do problema de "sombra", isto é, a interferência das esteiras das turbinas, é fundamental o conhecimento da direção predominante.
Do ponto de vista do aproveitamento da energia eólica, é importante distinguir os vários tipos de variações temporais da velocidade dos ventos, a saber: variações anuais, sazonais, diárias e de curta duração.
Para se obter um bom conhecimento do regime dos ventos não é suficiente basear-se na análise de dados de vento de apenas um ano; o ideal é dispor de dados referentes a vários anos. À medida que uma maior quantidade de dados anuais é coletada, as características levantadas do regime local dos ventos tornam-se mais confiáveis.
O aquecimento não uniforme da superfície terrestre resulta em significativas variações no regime dos ventos, resultando na existência de diferentes estações do ano. Considerando que, em função da relação cúbica entre a potência disponível e a velocidade do vento (na altura do eixo da turbina), em algumas faixas de potência, uma pequena variação na velocidade implica numa grande variação na potência. Sendo assim, a utilização de médias anuais (ao invés de médias sazonais) pode levar a resultados que se afastam da realidade.
As variações diárias na velocidade do vento (brisas marítimas e terrestres, por exemplo) também são causadas pelo aquecimento não uniforme da superfície da Terra. Essas variações são importantes quando, após a escolha de uma região, procura-se o local mais adequado para a instalação do sistema eólico dentro dessa área. Ao comparar a evolução da velocidade média ao longo do dia percebe-se que há uma significativa variação de um mês para os outros. Com esse tipo de informação pode-se projetar melhor o sistema eólico. Por exemplo, nos locais em que os ventos no período do dia são mais fortes do que os ventos no período da noite e a carga de pico ocorre durante o dia, a carga base pode ser fornecida pelo sistema existente e a carga adicional pelo sistema eólico. Entretanto, se a carga de pico ocorre durante a noite, provavelmente a demanda será maior que o disponível e um sistema de estocagem pode se fazer necessário.
As variações de curta duração estão associadas tanto às pequenas flutuações quanto às rajadas de vento. Num primeiro momento, essas variações não são consideradas na análise do potencial eólico de uma região, desde que não assumam grandes proporções. As flutuações e a turbulência do vento podem afetar a integridade estrutural do sistema eólico, devido à fadiga que ocorre especialmente nas pás da turbina. Por outro lado, as rajadas, caracterizadas por aumentos bruscos de curta duração da velocidade do vento, geralmente acompanhadas por mudanças de direção, merecem maior atenção.
Um sistema eólico é constituído por vários componentes que devem trabalhar em harmonia de forma a propiciar um maior rendimento final. Para efeito de estudo global da conversão eólica devem ser considerados os seguintes componentes:
Vento: Disponibilidade energética do local destinado à instalação do sistema eólico.
Rotor: Responsável por transformar a energia cinética do vento em energia mecânica de rotação.
Transmissão e Caixa Multiplicadora: Responsável por transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até a carga. Alguns geradores não utilizam este componente; neste caso, o eixo do rotor é acoplado diretamente à carga.
Gerador Elétrico: Responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica.
Mecanismo de Controle: Responsável pela orientação do rotor, controle de velocidade, controle da carga, etc.
Torre: Responsável por sustentar e posicionar o rotor na altura conveniente.
Sistema de Armazenamento: Responsável
por armazenar a energia para produção de energia firme a partir
de uma fonte intermitente.
Transformador: Responsável pelo acoplamento elétrico entre o
aerogerador e a rede elétrica.
Acessórios: São os componentes periféricos.
A Figura 2 apresenta as diversas partes constituintes de um sistema eólico.
O rendimento global do sistema eólico relaciona a potência disponível do vento com a potência final que é entregue pelo sistema. Os rotores eólicos ao extraírem a energia do vento reduzem a sua velocidade; ou seja, a velocidade do vento frontal ao rotor (velocidade não perturbada) é maior do que a velocidade do vento atrás do rotor (na esteira do rotor). Uma redução muito grande da velocidade do vento faz com que o ar circule em volta do rotor, ao invés de passar através dele.
A condição de máxima extração de energia verifica-se para uma velocidade na esteira do rotor igual a 1/3 da velocidade não perturbada. Em condições ideais, o valor máximo da energia captada por um rotor eólico é limitado pela eficiência de Betz dada pelo fator 16/27 ou 0,593. Em outras palavras, 59,3% da energia contida no fluxo de ar pode ser teoricamente extraída por uma turbina eólica. Na prática, entretanto, o rendimento aerodinâmico das pás reduz ainda mais este valor. Para um sistema eólico, existem ainda outras perdas, relacionadas com cada componente (rotor, transmissão, caixa multiplicadora e gerador). Além disso, o fato do rotor eólico funcionar em uma faixa limitada de velocidade de vento também irá contribuir para reduzir a energia por ele captada.
Todo sistema eólico somente começa a funcionar a partir de uma certa velocidade, chamada de velocidade de entrada, que é necessária para vencer algumas perdas. Quando o sistema atinge a chamada velocidade de corte um mecanismo de proteção é acionado com a finalidade de não causar riscos ao rotor e à estrutura.
Para os sistemas eólicos, a velocidade de rotação ótima do rotor varia com a velocidade do vento. Um sistema eólico tem o seu rendimento máximo a uma dada velocidade do vento (chamada de velocidade de projeto ou velocidade nominal) e diminui para velocidades diferentes desta.
Projetar um sistema eólico, para um determinado tamanho de rotor e para uma carga pré-fixada, supõe trabalhar no intervalo ótimo de rendimento do sistema com relação a curva de potência disponível do vento local. Isto requer encontrar uma relação de multiplicação, de maneira que se tenha um bom acoplamento rotor/carga. É necessário também, ter mecanismos de controle apropriados para melhorar o rendimento em outras velocidades de vento e aumentar o intervalo de funcionamento do sistema eólico.
Um exemplo de mecanismo de controle é a utilização de rotores com ângulo de passo variável. Com este controle, a medida que a velocidade do vento varia, as pás mudam de posição, variando o rendimento do rotor. Com isto, pode-se aumentar o intervalo de funcionamento do sistema eólico e ainda manter uma determinada velocidade de rotação, que corresponde a eficiência máxima do gerador.
Como uma primeira aproximação, o rendimento global de um sistema eólico simples pode ser estimado em 20%.
O rotor é o componente do sistema eólico responsável por captar a energia cinética dos ventos e transformá-la em energia mecânica de rotação. É o componente mais característico de um sistema eólico. Por este motivo, a configuração do rotor influenciará diretamente no rendimento global do sistema.
Os rotores eólicos podem ser classificados segundo vários critérios e o mais importante é aquele que utiliza a orientação do eixo como fator de classificação. Assim, tem-se os rotores de eixo horizontal e os rotores de eixo vertical.
Os rotores de eixo horizontal são os mais comuns e grande parte da experiência mundial está voltada para a sua utilização. São movidos por forças aerodinâmicas chamadas de forças de sustentação (lift) e forças de arrasto (drag). Um corpo que obstrui o movimento do vento sofre a ação de forças que atuam perpendicularmente ao escoamento (forças de sustentação) e de forças que atuam na direção do escoamento (forças de arrasto). Ambas são proporcionais ao quadrado da velocidade relativa do vento. Adicionalmente, as forças de sustentação dependem da geometria do corpo e do ângulo de ataque (formado entre a velocidade relativa do vento e o eixo do corpo).
Os rotores que giram predominantemente sob o efeito de forças de sustentação permitem liberar muito mais potência do que aqueles que giram sob efeito de forças de arrasto, para uma mesma velocidade de vento.Os rotores de eixo horizontal ao longo do vento (aerogeradores convencionais) são predominantemente movidos por forças de sustentação e devem possuir mecanismos capazes de permitir que o disco varrido pelas pás esteja sempre em posição perpendicular ao vento. Tais rotores podem ser constituídos de uma pá e contrapeso, duas pás, três pás ou múltiplas pás (multivane fans). Construtivamente, as pás podem ter as mais variadas formas e empregar os mais variados materiais. Em geral, utilizam-se pás rígidas de madeira, alumínio ou fibra de vidro reforçada.
Quanto à posição do rotor em relação à torre, o disco varrido pelas pás pode estar a jusante do vento (down wind) ou a montante do vento (up wind). No primeiro caso, a "sombra" da torre provoca vibrações nas pás. No segundo caso, a "sombra" das pás provoca esforços vibratórios na torre. Sistemas a montante do vento necessitam de mecanismos de orientação do rotor com o fluxo de vento, enquanto nos sistemas a jusante do vento, a orientação realiza-se automaticamente.
Os rotores mais utilizados para geração de energia elétrica são os de eixo horizontal do tipo hélice, normalmente compostos de 3 pás ou em alguns casos (velocidades médias muito altas e possibilidade de geração de maior ruído acústico) 1 ou 2 pás. A Figura 3 ilustra as pás de uma turbina eólica de grande porte.
Figura 3 – Ilustração das pás de uma turbina eólica
de grande porte.
Em geral, os rotores de eixo vertical têm a vantagem de não necessitarem de mecanismos de acompanhamento para variações da direção do vento, o que reduz a complexidade do projeto e os esforços devidos as forças de Coriolis.Os rotores de eixo vertical também podem ser movidos por forças de sustentação (lift) e por forças de arrasto (drag). Os principais tipos de rotores de eixo vertical são Darrieus, Savonius e turbinas com torre de vórtices.
Os rotores do tipo Darrieus são movidos por forças de sustentação e constituem-se de lâminas curvas (duas ou três) de perfil aerodinâmico, atadas pelas duas pontas ao eixo vertical.
A transmissão, que engloba a caixa multiplicadora, possui a finalidade de transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até o gerador. É composta por eixos, mancais, engrenagens de transmissão e acoplamentos. A Figura 2 apresenta a localização da caixa multiplicadora dentro do sistema de geração eólica. O projeto tradicional de uma turbina eólica consiste em colocar a caixa de transmissão mecânica entre o rotor e o gerador de forma a adaptar a baixa velocidade do rotor à velocidade de rotação mais elevada dos geradores convencionais.A velocidade angular dos rotores geralmente varia na faixa de 20 a 150 RPM, devido às restrições de velocidade na ponta da pá (tip speed). Entretanto, geradores (sobretudo geradores síncronos) trabalham a rotações muito mais elevadas (em geral, entre 1200 a 1800 RPM), tornando necessário a instalação de um sistema de multiplicação entre os eixos.Mais recentemente, alguns fabricantes desenvolveram com sucesso aerogeradores sem a caixa multiplicadora e abandonaram a forma tradicional de construir turbinas eólicas. Assim, ao invés de utilizar a caixa de engrenagens com alta relação de transmissão, necessária para alcançar a elevada rotação dos geradores, utilizam-se geradores multipolos de baixa velocidade e grandes dimensões.
Os dois tipos de projetos possuem vantagens e desvantagens e a decisão de utilizar o multiplicador ou fabricar um aerogerador sem caixa de transmissão é antes de tudo uma questão de filosofia do fabricante.
Os mecanismos de controle destinam-se à orientação do rotor, ao controle de velocidade, ao controle de carga, etc. Pela variedade de controles, existe uma enorme variedade de mecanismos que podem ser mecânicos (velocidade, passo, freio), aerodinâmicos (posicionamento do rotor) ou eletrônicos (controle da carga).Devido a atuação das forças aerodinâmicas nas pás do rotor, uma turbina eólica converte a energia cinética do vento em energia mecânica rotacional. Estas forças aerodinâmicas são geradas ao longo das pás do rotor que necessitam de perfis especialmente projetados e que são muito similares àqueles usados para asas de aviões. Com a velocidade do fluxo de ar aumentando, as forças de sustentação aerodinâmica aumentam com a segunda potência e a energia extraída da turbina com a terceira potência da velocidade do vento, uma situação que necessita de um controle de potência do rotor muito efetivo e rápido de modo a evitar sobrecarregamento elétrico e mecânico no sistema de transmissão.
Os modernos aerogeradores utilizam dois diferentes princípios de controle aerodinâmico para limitar a extração de potência à potência nominal do aerogerador. São chamados de controle estol (stall) e controle de passo (pitch). No passado, a maioria dos aerogeradores usavam o controle estol simples; atualmente, entretanto, com o aumento do tamanho das máquinas, os fabricantes estão optando pelo sistema de controle de passo que oferece maior flexibilidade na operação das turbinas eólicas.
O controle de passo é um sistema ativo que normalmente necessita de uma informação vinda do controlador do sistema. Sempre que a potência nominal do gerador é ultrapassada, devido à um aumento da velocidade do vento, as pás do rotor giram em torno do seu eixo longitudinal; em outras palavras, as pás mudam o seu ângulo de passo para reduzir o ângulo de ataque. Esta redução do ângulo de ataque diminui as forças aerodinâmicas atuantes e, consequentemente, a extração de potência. Para todas as velocidades do vento superiores à velocidade nominal, o ângulo é escolhido de forma que a turbina produza apenas a potência nominal. Sob todas as condições de vento, o escoamento em torno dos perfis das pás do rotor é bastante aderente à superfície produzindo sustentação aerodinâmica e pequenas forças de arrasto.
Sob todas as condições de vento, o fluxo em torno dos perfis da pá do rotor é bem aderente à superfície (veja Figura 4), produzindo, portanto, sustentação aerodinâmica a pequenas forças de arrasto.
Figura 4 - Fluxo aderente ao perfil
Turbinas com controle de passo são mais sofisticadas do que as de passo fixo, controladas por estol porque estas necessitam de um sistema de variação de passo.
Permitem controle de potência ativo sob todas as condições de vento, também sob potências parciais;alcançam a potência nominal mesmo sob condições de baixa massa específica do ar (grandes altitudes dos sítios, altas temperaturas);maior produção de energia sob as mesmas condições (sem diminuição da eficiência na adaptação ao estol da pá);partida simples do rotor pela mudança do passo;fortes freios desnecessários para paradas de emergência do rotor;cargas das pás do rotor decrescentes com ventos aumentando acima da potência nominal;posição de embandeiramento das pás do rotor para cargas pequenas em ventos extremos;
massas das pás do rotor menores levam a massas menores dos aerogeradores.
Na Alemanha cerca de 50% de todos os aerogeradores instalados são do tipo controle de passo porque dois dos maiores fabricantes preferem este tipo de controle de aerogeradores. Na nova geração de turbinas da classe de megawatt, muitos fabricantes mudaram para sistemas de controle de passo.
Figura 5 - Curva de potência típica de um aerogerador com controle
de passo
O controle estol é um sistema passivo que reage à velocidade do vento. As pás do rotor são fixas em seu ângulo de passo e não podem girar em torno de seu eixo longitudinal.
O ângulo de passo é escolhido de forma que, para velocidades de vento superiores a velocidade nominal, o escoamento em torno do perfil da pá do rotor descola da superfície da pá (estol), reduzindo as forças de sustentação e aumentando as forças de arrasto. Sob todas as condições de ventos, superiores à velocidade nominal, o escoamento em torno dos perfis das pás do rotor é, pelo menos parcialmente, descolado da superfície produzindo menores forças de sustentação e elevadas forças de arrasto. Menores sustentações e maiores arrastos atuam contra um aumento da potência do rotor.
Para evitar que o efeito estol ocorra em todas as posições radiais das pás ao mesmo tempo, o que reduziria significativamente a potência do rotor, as pás possuem uma pequena torção longitudinal que as levam a um suave desenvolvimento deste efeito.
Sob todas as condições de ventos superiores à velocidade nominal o fluxo em torno dos perfis das pás do rotor é, pelo menos, parcialmente descolado da superfície (veja Figura 6), produzindo, portanto sustentações menores e forças de arrasto muito mais elevadas.
Figura 6 - Fluxo separado (estol) em volta do perfil
Turbinas com controle estol são mais simples do que as de controle de passo porque elas não necessitam de um sistema de mudança de passo. Os aerogeradores com controle estol, em comparação com os aerogeradores com controle de passo possuem, em princípio, as seguintes vantagens:
Em termos mundiais, o conceito de controle através de estol domina. A maioria dos fabricantes utiliza esta possibilidade simples de controle de potência, que sempre necessita de uma velocidade constante do rotor, geralmente dada pelo gerador de indução diretamente acoplado à rede.Mais recentemente surgiu uma concepção que mistura os mecanismos de controle por estol e de passo (denominada "estol ativo"). Neste caso, o passo da pá do rotor gira na direção do estol e não na direção da posição de embandeiramento (menor sustentação), como é feito em sistemas de passo normais. As vantagens deste sistema são:
necessidade de reduzidas mudanças no ângulo do passo;possibilidade de controle da potência sob condições de potência parcial (baixas velocidades de vento);
a posição de embandeiramento das pás do rotor para cargas pequenas em situação de altas velocidades de vento.
Figura 7 - Curva de potência típica de um aerogerador com controle
estol
A transformação da energia mecânica de rotação em energia elétrica através de equipamentos de conversão eletro-mecânica é um problema tecnologicamente dominado e, portanto, encontram-se vários fabricantes de geradores disponíveis no mercado.
Atualmente, existem várias alternativas de conjuntos moto-geradores, entre eles: geradores de corrente contínua, geradores síncronos, geradores assíncronos, geradores de comutador de corrente alternada. Cada uma delas apresenta vantagens e desvantagens que devem ser analisadas com cuidado na sua incorporação a sistemas de conversão de energia eólica.
As torres são necessárias para sustentar e posicionar o rotor a uma altura conveniente para o seu funcionamento. É um item estrutural de grande porte e de elevada contribuição no custo inicial do sistema. Em geral, as torres são fabricadas de metal (treliça ou tubular) ou de concreto e podem ser ou não sustentadas por cabos tensores.
Como o comportamento do vento muda ao longo do tempo, pode ser necessário a utilização de um sistema de armazenamento de energia que garanta o fornecimento adequado à demanda.
Nos casos em que a energia eólica é utilizada para complementar a produção de energia convencional, a energia gerada é injetada diretamente na rede elétrica, não sendo necessário o armazenamento de energia, bastando que o sistema elétrico convencional de base esteja dimensionado para atender à demanda durante os períodos de calmaria. Quando a energia eólica é utilizada como fonte primária de energia, uma forma de armazenamento se faz necessária para adaptar o perfil aleatório de produção energética ao perfil de consumo, guardando o excesso de energia durante os períodos de ventos de alta velocidade, para usá-la quando o consumo não puder ser atendido por insuficiência de vento.
As formas mais conhecidas de armazenamento de energia eólica são através de baterias e sob a forma de energia potencial gravitacional.
Os acessórios englobam todos os itens de apoio necessários ao funcionamento do sistema eólico. Incluem-se transmissões, freios, embreagens, eixos, acoplamentos e mancais que não apresentam nenhum problema tecnológico aos sistemas eólicos.
Um sistema eólico pode ser utilizado em três aplicações distintas: sistemas isolados, sistemas híbridos e sistemas interligados à rede. Os sistemas obedecem a uma configuração básica, necessitam de uma unidade de controle de potência e, em determinados casos, conforme a aplicação, de uma unidade de armazenamento.
Os sistemas isolados de pequeno porte, em geral, utilizam alguma forma de armazenamento de energia. Este armazenamento pode ser feito através de baterias ou na forma de energia potencial gravitacional com a finalidade de armazenar a água bombeada em reservatórios elevados para posterior utilização. Alguns sistemas isolados não necessitam de armazenamento, como no caso dos sistemas para irrigação onde toda a água bombeada é diretamente consumida.Os sistemas que armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar a carga e a descarga da bateria. O controlador de carga tem como principal objetivo não deixar que haja danos ao sistema de bateria por sobrecargas ou descargas profundas.
Para alimentação de equipamentos que operam com corrente alternada (CA) é necessário a utilização de um inversor. Este inversor pode ser de estado sólido (eletrônico) ou rotativo (mecânico).
Os sistemas híbridos são aqueles que apresentam mais de uma fonte de energia como, por exemplo, turbinas eólicas, geradores Diesel, módulos fotovoltaicos, entre outras. A utilização de várias formas de geração de energia elétrica aumenta a complexidade do sistema e exige a otimização do uso de cada uma das fontes. Nesses casos, é necessário realizar um controle de todas as fontes para que haja máxima eficiência e otimização dos fluxos energéticos na entrega da energia para o usuário.
Em geral, os sistemas híbridos são empregados em sistemas de médio porte destinados a atender um número maior de usuários. Por trabalhar com cargas em corrente alternada, o sistema híbrido também necessita de um inversor. Devido à grande complexidade de arranjos e multiplicidade de opções, a forma de otimização do sistema torna-se um estudo particular a cada caso.
Os sistemas interligados à rede não necessitam de sistemas de armazenamento de energia pois toda a geração é entregue diretamente à rede elétrica. Estes sistemas representam uma fonte complementar ao sistema elétrico de grande porte ao qual estão interligados.
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.
Fonte: www.cresesb.cepel.br
A energia eólica é a energia cinética do ar em movimento (ventos), que pode ser aproveitada pelo homem para realizar trabalho útil.
Os ventos são causados pelo aquecimento diferenciado da superfície da Terra. Esta não uniformidade na temperatura da superfície da Terra, e conseqüentemente, na atmosfera, é devida principalmente à orientação da Terra no espaço e a seus movimentos de rotação e translação. Em última análise, os regimes de ventos são causados pela desigual distribuição de incidência de energia solar na superfície da Terra.
A energia eólica é medida através de sensores de velocidade e direção do vento, denominados anemômetros, operados por instituições com diferentes objetivos. Em geral, a velocidade do vento é medida em m/s (metros/segundo), podendo ainda ser medida em outras unidades, tais como nós, km/h, etc. O parâmetro mais importante é a velocidade média do vento, mas é desejável conhecer também a sua distribuição estatística de velocidades.
No Brasil, existem inúmeras instituições que coletam dados de vento. Entre elas, o Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) do Ministério da Agricultura, o Ministério da Marinha (BNDO/CHM), o Ministério da Aeronáutica (DEPV e INFRAERO), o Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL), diversas concessionárias de energia elétrica (CEMIG, COELCE, COELBA, COPEL, entre outras), Secretarias de Energia de vários estados, etc.
De uma forma geral, grande parte do litoral brasileiro, em particular o da região Nordeste, apresenta velocidades de vento propícias ao aproveitamento da energia eólica em larga escala. O litoral do Estado do Rio Grande do Sul é também considerado bastante favorável, assim como o litoral Norte do Estado do Rio de Janeiro. No interior do país, em áreas montanhosas também se encontram diversos sítios propícios. A região Norte é a menos favorecida em relação à energia eólica. O potencial eólico brasileiro pode ser conhecido em caráter geral através de consultas aos Atlas Eólicos. A nova versão do Atlas Eólico do Brasil, preparado pelo CEPEL, encontra-se disponível para aquisição no CRESESB.
Geralmente não. Na prática, verifica-se que o recurso eólico apresenta variações temporais em várias ordens de grandeza: variações anuais (em função de alterações climáticas), variações sazonais (em função das diferentes estações do ano), variações diárias (causadas pelo microclima local), variações horárias (brisa terrestre e marítima, por exemplo) e variações de curta duração (rajadas). A variação espacial da energia eólica também é muito grande.
Para qualquer fluido em movimento a velocidade do fluxo aumenta à medida em que este se afasta das superfícies que o delimitam. Portanto, a velocidade do vento aumenta com a altura em relação à superfície da Terra de forma dependente da rugosidade do terreno. Em terrenos planos (baixa rugosidade) esta variação é muito menos significativa do que em terrenos irregulares (alta rugosidade), sendo as áreas urbanas classificadas nesta segunda categoria. Por isso, as máquinas eólicas são geralmente instaladas em torres elevadas, onde as velocidades são significativamente maiores do que na superfície.
Aerogeradores, turbinas eólicas, geradores eólicos, máquinas eólicas e cata-ventos são os diversos nomes utilizados para as máquinas capazes de transformar a energia cinética dos ventos em energia mecânica ou em energia elétrica, para uso em diversas aplicações:
energia mecânica – utilizada para acionamento direto de bombas d’água, moinhos, etc;
energia elétrica – a energia gerada pode ser injetada diretamente na rede elétrica convencional (normalmente máquinas de grande porte) ou utilizada em sistemas isolados – eletrificação rural (geralmente máquinas de pequeno porte).
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 da máquina eólica. 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.
Sim. Atualmente as máquinas de grande porte disponíveis são em esmagadora maioria máquinas tripás de eixo horizontal. Contudo, existem inúmeros outros tipos de máquinas eólicas, tais como as máquinas bipás, monopás, quadripás e multipás de eixo horizontal, além das máquinas Darrieus e Savonius de eixo vertical, bem como diversos outros dispositivos. Estas inúmeras variantes são normalmente utilizadas apenas para máquinas de pequeno porte.
Sim. Atualmente as máquinas de grande porte disponíveis são em esmagadora maioria máquinas tripás de eixo horizontal. Contudo, existem inúmeros outros tipos de máquinas eólicas, tais como as máquinas bipás, monopás, quadripás e multipás de eixo horizontal, além das máquinas Darrieus e Savonius de eixo vertical, bem como diversos outros dispositivos. Estas inúmeras variantes são normalmente utilizadas apenas para máquinas de pequeno porte.
Sim, existem diversas empresas fornecedoras de máquinas de pequeno porte para aplicações em sistemas autônomos isolados, sendo que esta página do CRESESB apresenta uma listagem contendo dados de muitas delas.
A turbina eólica para geração de energia elétrica é composta pelos seguintes subconjuntos:
rotor - é o componente que efetua a transformação da
energia cinética dos ventos em energia mecânica de rotação.
No rotor são fixadas as pás da turbina. Todo o conjunto é
conectado a um eixo que transmite a rotação das pás para
o gerador, muitas vezes através de uma caixa multiplicadora;
nacele - é o compartimento instalado no alto da torre e que abriga
todo o mecanismo do gerador, o qual pode incluir: caixa multiplicadora, freios,
embreagem, mancais, controle eletrônico, sistema hidráulico,
etc.
torre - é o elemento que sustenta o rotor e a nacele na altura adequada ao funcionamento da turbina eólica. É um item estrutural de grande porte e de elevada contribuição no custo inicial do sistema. Em geral, as torres são fabricadas de metal (treliçada ou tubular) ou de concreto. As torres das turbinas eólicas de pequeno porte são estaiadas (sustentadas por cabos tensores) enquanto as das turbinas de médio e grande porte são auto-portantes.
Pequeno porte – possuem potências nominais na faixa de centenas de W a unidades de kW e diâmetros de rotor de 2m a 8m, sendo destinadas tipicamente à utilização em sistemas isolados;
Médio porte – potências nominais na faixa de unidades a dezenas de kW e diâmetros de rotor de 10m a 15m;
Grande porte – potências nominais variando de centenas de kW a unidades de MW e diâmetros de rotor de 30m a 100m, sendo destinadas à utilização em fazendas eólicas. As maiores máquinas disponíveis comercialmente têm potência nominal de 4,5MW e diâmetro do rotor de 112m.
Estas máquinas são dispositivos puramente mecânicos, nos quais o rotor, geralmente do tipo multipás, é acoplado a um eixo de manivelas (girabrequim) horizontal que transforma o movimento rotativo em um movimento linear, o qual por meio de uma longa haste metálica vertical aciona uma bomba d’água submersa do tipo piston.
No caso de bombeamento de água de poços, o equipamento é montado diretamente acima do poço. Este tipo de dispositivo é muito comum no interior do Brasil, sendo também bastante utilizado nas salinas localizadas em alguns pontos do litoral (RJ e RN). Estas máquinas são denominadas popularmente no Brasil de cata-ventos.
Ventos com baixa velocidade não têm energia suficiente para acionar as máquinas eólicas, que só funcionam a partir de uma determinada velocidade mínima, que normalmente varia entre 2,5m/s e 4,0m/s. Com o aumento da velocidade do vento, a potência no eixo da máquina aumenta gradativamente até atingir a potência nominal da máquina, que ocorre a uma determinada velocidade nominal do vento, a qual varia geralmente entre 9,5m/s e 15,0m/s. Para velocidades do vento superiores à nominal, em muitas máquinas, a potência permanece constante até uma velocidade de corte superior, na qual a máquina deve sair automaticamente de operação para evitar que sofra danos estruturais. É importante saber que a energia disponível varia com o cubo da velocidade do vento, de forma que o dobro de velocidade representa um aumento de oito vezes em energia.
Para estimar com confiabilidade a energia produzida por uma máquina eólica é necessário conhecer, além das características da máquina que será utilizada (curva potência x velocidade do vento), a distribuição estatística da velocidade do vento no local onde ela será instalada. Tais dados de vento normalmente só são obtidos por meio de levantamentos específicos do potencial eólico efetuados no próprio local de interesse.
Depende da aplicação. Geralmente para aplicações em larga escala com máquinas de grande porte, se requer uma velocidade média de, no mínimo, 6,5m/s a 7,5m/s, para que os sistemas sejam economicamente viáveis. Já para a utilização em sistemas isolados pequenos, incluindo os sistemas mecânicos para bombeamento d’água, assume-se que uma média de 3,5m/s a 4,5m/s é o mínimo admissível. Estes valores consideram tanto a viabilidade técnica quanto econômica.
Mundialmente existem dezenas de fabricantes de turbinas eólicas. A título de informação podemos citar: Enercon (Alemanha), Neg Micon (Alemanha), Vestas (Dinamarca), Nordex (Alemanha), Jacobs (Alemanha), Bergey Windpower (Estados Unidos), Zond (Estados Unidos), Wobben Windpower (Brasil), etc.
Sim, existe uma subsidiária brasileira da Enercon (empresa alemã) instalada no Estado de São Paulo (Sorocaba). Inicialmente, esta fábrica dedicou-se apenas à produção das pás para aerogeradores de grande porte, visando essencialmente a exportação. Em 2000, foram produzidos os primeiros aerogeradores brasileiros completos, tanto para exportação quanto para atender ao mercado interno. Existem também vários outros fabricantes 100% nacionais de pequenos cata-ventos mecânicos para bombeamento d’água.
Geralmente isto não é considerado viável. Conforme já mencionado, as áreas urbanas são locais que apresentam rugosidade bastante elevada, de forma que os ventos próximos à superfície são fracos e muito turbulentos.
Existem duas vertentes: os sistemas de grande porte interligados à rede elétrica, normalmente denominados "fazendas eólicas" e os sistemas isolados.
constituem sistemas de grande porte, com potência instalada na faixa de unidades a dezenas de MW. As fazendas eólicas podem ser dotadas de várias dezenas de máquinas eólicas e injetam toda a energia gerada na rede elétrica convencional, funcionando como uma usina geradora; são também denominadas usinas eólicas;
São sistemas autônomos de pequeno porte, com potência instalada na faixa de centenas de W a unidades de kW, normalmente destinados à eletrificação rural. Tais sistemas podem destinar-se a alimentar uma residência rural, uma fazenda, uma aldeia ou outro tipo de instalação.
Sim, totalmente viável nos locais onde os ventos são favoráveis uma vez que a viabilidade de tais empreendimentos está condicionada à velocidade dos ventos no local.
No caso dos sistemas isolados de pequeno porte a viabilidade é obtida naturalmente para velocidades de vento baixas, pois deve-se comparar os custos dos sistemas eólicos com os elevados custos de extensão da rede elétrica convencional.
No caso das fazendas eólicas, a viabilidade ainda só é alcançada para velocidades de vento elevadas, pois têm que competir com os custos de energia obtidos com as formas de geração convencional (hidroelétrica, térmica, etc). Nos locais favoráveis, os investimentos em energia eólica são bastante rentáveis e têm sido explorados em todo o mundo pela iniciativa privada. Em alguns países (Dinamarca e Alemanha) a energia eólica já é complementar à geração convencional e tem participação expressiva na matriz energética nacional.
Já descrita, a partir da energia cinética dos ventos, funciona como gerador de energia elétrica;
Composto por uma ou mais baterias, normalmente baterias Chumbo-ácido 12V seladas; funciona como elemento armazenador de energia elétrica para uso durante os períodos de calmaria, quando não há disponibilidade de vento;
Dispositivo eletrônico que protege as baterias conta sobrecarga ou descarga excessiva;
Dispositivo eletrônico que converte a energia elétrica em corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA), de forma a permitir a utilização de eletrodomésticos convencionais. Alguns sistemas pequenos não empregam inversor e utilizam cargas (luminárias, TV, etc.) alimentadas diretamente por corrente contínua (CC).
Aqui considera-se que a turbina eólica já produz energia em um nível de tensão CC compatível com o do banco de baterias; caso contrário, são ainda necessários outros dispositivos para efetuar a conversão.
Equipamento eletrônico (composto por retificador, inversor, etc.) que converte a energia gerada pela turbina, em geral AC de tensão e freqüência variáveis, para níveis adequados à injeção na rede;
Equipamento elétrico que aumenta o nível de tensão gerado pelo conversor para a tensão da rede, da ordem de dezenas ou centenas de kV (linha de transmissão).
Os sistemas conectados à rede geralmente não são dotados de armazenamento de energia (baterias), de forma que produzem energia somente quando existe disponibilidade de vento.
Já descrita, a partir da energia cinética dos ventos, funciona como gerador de energia elétrica;
Dispositivo eletrônico que condiciona a energia gerada pela turbina de forma a ser utilizada de forma eficiente pelo conjunto motor elétrico/bomba d’água;
Pode ser de diversos tipos e utilizar motores elétricos CC ou CA (depende do fabricante);
Reservatório, registros, etc.
OBS: A descrição acima refere-se ao sistema de bombeamento elétrico; os sistemas puramente mecânicos já foram descritos anteriormente.
Os equipamentos de pequeno porte têm impacto ambiental geralmente desprezível. Já os impactos ambientais das fazendas eólicas podem ser classificados em quatro tipos:
As turbinas de grande porte são objetos de muita visibilidade (um rotor girante de dezenas de metros de diâmetro é visível a muitos quilômetros de distância) e interferem significativamente nas paisagens naturais; por isso podem existir restrições à sua instalação em algumas áreas (por exemplo, em áreas turísticas ou áreas de grande beleza natural);
Ruído as turbinas de grande porte geram ruído audível significativo, de forma que existe regulamentação relativa à sua instalação na vizinhança de áreas residenciais, muito embora nas turbinas mais modernas o nível de ruído tem sido reduzido; o ruído é proveniente de duas fontes: o próprio fluxo de ar nas pás e os mecanismos (gerador, caixa de redução, etc);
As pás das turbinas produzem sombras e/ou reflexos móveis que também são indesejáveis nas áreas residenciais; este problema é mais evidente em pontos de latitudes elevadas, onde o sol tem posição mais baixa no céu.
Em fazendas eólicas pode ocorrer mortalidade de aves por impacto com as pás das turbinas (acredita-se que as aves não conseguem enxergar as pás em movimento), por isso não é recomendável a sua instalação em áreas de migração de aves, áreas de reprodução, áreas de proteção ambiental, etc.
Sim, diversas. Abaixo é apresentada uma listagem das fazendas eólicas em operação no Brasil.
Fernando de Noronha (PE) - 75 kW - instalada pela CELPE (Companhia Energética de Pernambuco);
Fernando de Noronha (PE) - 275 kW - instalada pelo Centro Brasileiro de Energia Eólica (empresa privada);
Morro do Camelinho (MG) - 1 MW - instalada pela CEMIG (Companhia Energética de Minas Gerais);
Mucuripe (CE) - 2,4 MW - instalada pela COELCE
(Companhia Energética do Ceará); recentemente foi repotencializada
pela Wobben Windpower;
Palmas (PR) - 2,5 MW - instalada pela COPEL (Companhia Paranaense de Energia
Elétrica);
Taíba (CE) - 5 MW - instalada pela Wobben Windpower (empresa privada alemã);
Prainha (CE) - 10 MW - instalada pela Wobben Windpower (empresa privada alemã); a primeira fazenda eólica do mundo construída sobres dunas;
Bom Jardim da Serra (SC) - 600 kW - instalada pela Wobben Windpower (empresa privada alemã). Para desenvolvimento de projetos no estado de Santa Catarina, foi criada a empresa Parque Eólico de Santa Catarina Ltda;
Olinda (PE) - 225 kW
instalada pelo Centro Brasileiro de Energia Eólica (empresa privada);
Macau (RN) - 1,8 MW - instalada pela PETROBRÁS.
A energia eólica é considerada a fonte alternativa que apresenta maior potencial de crescimento no Brasil a curto e médio prazos e existem inúmeras outras fazendas eólicas em planejamento ou em projeto, a maioria com investimentos feitos pela iniciativa privada (empresas estrangeiras).
A energia eólica tem apresentado crescimento acelerado em todo o mundo, atingindo cerca de 32% ao ano no período de 1998-2002 (Fonte: AWEA). Normalmente os investimentos são feitos pela iniciativa privada, mas contam com muitos incentivos governamentais. Os locais do mundo de maior utilização de energia eólica são:
Europa – costas do Mar do Norte, incluindo Dinamarca, Alemanha, Holanda e Inglaterra; na Dinamarca já existe inclusive uma fazenda eólica "off-shore", ou seja, instalada no mar;
Estados Unidos – montanhas do Estado da Califórnia e no Estado do Texas.
| -- | País | Potência (MW) |
|---|---|---|
| 1 | Alemanha | 16628 |
| 2 | Espanha | 8263 |
| 3 | Estados Unidos | 6752 |
| 4 | Dinamarca | 3118 |
| 5 | Índia | 2983 |
| 6 | Itália | 1265 |
| 7 | Holanda | 1078 |
| 8 | Japão | 940 |
| 9 | Inglaterra | 897 |
| 10 | China | 764 |
| 11 | Áustria | 607 |
| 12 | Portugal | 523 |
| 32 | Brasil | 24 |
Ainda segundo dados de início de 2005, o total mundial instalado de energia eólica é de 47.574MW, um valor superior à potência de Itaipu, a maior usina hidroelétrica do mundo com 12.000MW.
O Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica - PROINFA foi criado no âmbito do Ministério de Minas e Energia - MME pela Lei no 10.438 de 26 de abril de 2002 e tem como objetivo a diversificação da matriz energética brasileira e a busca por soluções de cunho regional com a utilização de fontes renováveis de energia, mediante o aproveitamento econômico dos insumos disponíveis e das tecnologias aplicáveis, a partir do aumento da participação da energia elétrica produzida com base nas fontes eólica, pequenas centrais hidrelétricas - PCH e biomassa no Sistema Elétrico Intreligado Nacional - SIN.
O PROINFA, na sua primeira etapa, promoverá a implantação de 3.300 MW de capacidade em instalações de produção com início de funcionamento previsto para até 30 de dezembro de 2006, sendo assegurada a compra da energia a ser produzida durante 15 anos, a partir da data de entrada em operação definida no contrato.
De uma forma geral, os sistemas eólicos são bastante duráveis e precisam de pouca manutenção. A vida útil das turbinas eólicas é estimada em 15 anos. Os dispositivos eletrônicos (inversor, controlador de carga) têm vida útil superior a 10 anos. No caso de sistemas eólicos isolados com armazenamento de energia em baterias, as baterias são consideradas o ponto crítico do sistema, mas quando este é bem projetado elas têm vida útil de 4 a 5 anos.
Não é recomendável, pois a vida útil das baterias automotivas neste tipo de aplicação é estimada em cerca de 2 anos. Recomenda-se a utilização de baterias estacionárias de ciclo profundo, que têm uma vida útil de 4 a 5 anos.
Normalmente o usuário comum (leigo) não está habilitado a projetar e instalar um sistema eólico por conta própria. Recomenda-se recorrer a empresas especializadas como, por exemplo, as relacionadas nesta página do CRESESB.
Recomendamos a consulta direta às empresas que atuam na área para obtenção de informações de custo. Em relação aos sistemas de grande porte, os custos das "fazendas eólicas" estão em torno de US$50/MW com tendência a decrescimento ao longo dos próximos anos.
Sim, o CEPEL atua há aproximadamente 10 anos nesta área, já tendo participado de projetos piloto para avaliação e demonstração desta tecnologia, em cooperações técnicas internacionais. Atualmente o CEPEL está publicando o Atlas Eólico do Brasil e desenvolvendo alguns projetos em parceria com o Ministério da Marinha e a Petrobrás.
São sistemas autônomos de geração de energia que utilizam simultaneamente várias fontes, como energia solar fotovoltaica, energia eólica, geradores Diesel, etc. Estes sistemas são geralmente de porte relativamente grande e destinam-se a atender ao consumo de uma aldeia ou comunidade.
Sim, mas somente dois, instalados pelo CEPEL em uma vila no Pará e outra no Amazonas, em cooperação técnica com um laboratório federal dos Estados Unidos (NREL – National Renewable Energy Laboratory). O sistema híbrido instalado na localidade de Joanes (Ilha de Marajó – PA) é do tipo eólico/fotovoltaico/Diesel e é dotado de quatro máquinas eólicas de 10 kW, num total de 40kW eólicos, além de 10kW de energia solar fotovoltaica.
Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos – publicação contendo muitas informações técnicas básicas sobre energia solar fotovoltaica, destinadas a estudantes universitários, professores e profissionais da área técnica interessados nesta fonte de energia;
Manifesto Solar – livro de divulgação científica questionando o modelo energético global e defendendo a utilização da energia solar como alternativa para a humanidade;
Energia Eólica – curso técnico básico em vídeo sobre o aproveitamento da energia eólica para geração de eletricidade e bombeamento de água;
Energia Solar – curso técnico em vídeo sobre a utilização de coletores térmicos planos para aquecimento de água;
Atlas Solarimétrico do Brasil - uma publicação realizada pela UFPE e CHESF com suporte técnico e financeiro do MME - ELETROBRÁS - CEPEL - CRESESB;
Atlas do Potencial Eólico Brasileiro - uma publicação realizada pela CAMARGO SCHUBERT e TRUEWIND SOLUTIONS com suporte técnico e financeiro do MME - ELETROBRÁS - CEPEL - CRESESB;
Economia Solar Global: Estratégias para a Modernidade Ecológica - publicação de Hermann Scheer;
Eletrificação Rural Descentralizada: Uma Oportunidade para a Humanidade, Técnicas para o Planeta - uma obra de particular importância para a discussão sobre a universalização do uso da energia elétrica;
Coletânea de Artigos: Energias Solar e Eólica - publicação que reúne 21 artigos escritos por diversos pesquisadores brasileiros atuantes nas áreas das energias solar e eólica, com relatos de experiências significativas e que resultaram em contribuições efetivas para o desenvolvimento destas formas de energia no país.
Fonte: cresesb.cepel.br
