Tutorial de Energia Eólica - Princípios e Tecnologias (2008)

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Sumário

História da Energia Eólica e suas utilizações

Com o avanço da agricultura, o homem necessitava cada vez mais de ferramentas que o auxiliassem nas diversas etapas do trabalho. Tarefas como a moagem dos grãos e o bombeamento de água exigiam cada vez mais esforço braçal e animal. Isso levou ao desenvolvimento de uma forma primitiva de moinho de vento, utilizada no beneficiamento dos produtos agrícolas, que constava de um eixo vertical acionado por uma longa haste presa a ela, movida por homens ou animais caminhado numa gaiola circular. Existia também outra tecnologia utilizada para o beneficiamento da agricultura onde uma gaiola cilíndrica era conectada a um eixo horizontal e a força motriz (homens ou animais) caminhava no seu interior.

Esse sistema foi aperfeiçoado com a utilização de cursos d’água como força motriz surgindo, assim, as rodas d’água. Historicamente, o uso das rodas d’água precede a utilização dos moinhos de ventos devido a sua concepção mais simplista de utilização de cursos naturais de rios como força motriz. Como não se dispunha de rios em todos os lugares para o aproveitamento em rodas d’água, a percepção do vento como fonte natural de energia possibilitou o surgimento de moinhos de ventos substituindo a força motriz humana ou animal nas atividades agrícolas.

O primeiro registro histórico da utilização da energia eólica para bombeamento de água e moagem de grãos através de cata-ventos é proveniente da Pérsia, por volta de 200 A.C.. Esse tipo de moinho de eixo vertical veio a se espalhar pelo mundo islâmico sendo utilizado por vários séculos. Acredita-se que antes da invenção dos cata-ventos na Pérsia, a China (por volta de 2000 A.C.) e o Império Babilônico (por volta 1700 A.C) também utilizavam cata-ventos rústicos para irrigação (CHESF-BRASCEP, 1987). (SHEFHERD, 1994)

Mesmo com baixa eficiência devido a suas características, os cata-ventos primitivos apresentavam vantagens importantes para o desenvolvimento das necessidades básicas de bombeamento d’água ou moagem de grãos, substituindo a força motriz humana ou animal. Pouco se sabe sobre o desenvolvimento e uso dos cata-ventos primitivos da China e Oriente Médio como também dos cata-ventos surgidos no Mediterrâneo. Um importante desenvolvimento da tecnologia primitiva foram os primeiros modelos a utilizarem velas de sustentação em eixo horizontal encontrados nas ilhas gregas do Mediterrâneo.

A introdução dos cata-ventos na Europa deu-se, principalmente, no retorno das Cruzadas há 900 anos. Os cata-ventos foram largamente utilizados e seu desenvolvimento bem documentado. As máquinas primitivas persistiram até o século XII quando começaram a ser utilizados moinhos de eixo horizontal na Inglaterra, França e Holanda, entre outros países. Os moinhos de vento de eixo horizontal do tipo “holandês” foram rapidamente disseminados em vários países da Europa. Durante a Idade Média, na Europa, a maioria das leis feudais incluía o direito de recusar a permissão à construção de moinhos de vento pelos camponeses, o que os obrigava a usar os moinhos dos senhores feudais para a moagem dos seus grãos. Dentro das leis de concessão de moinhos também se estabeleceram leis que proibiam a plantação de árvores próximas ao moinho assegurando, assim, o “direito ao vento”. Os moinhos de vento na Europa tiveram, sem dúvida, uma forte e decisiva influência na economia agrícola por vários séculos. Com o desenvolvimento tecnológico das pás, sistema de controle, eixos etc, o uso dos moinhos de vento propiciou a otimização de várias atividades utilizando-se a força motriz do vento.

Figura 1 - Principais marcos do desenvolvimento da Energia Eólica no período do Século XI ao Século XIX (Fonte: Dutra, 2001)

Na Holanda, entre os séculos XVII a XIX, o uso de moinhos de vento em grande escala esteve amplamente relacionado com a drenagem de terras cobertas pelas águas. A área de Beemster Polder, que ficava três metros abaixo do nível do mar, foi drenada por 26 moinhos de vento de até 50 HP cada, entre os anos de 1608 e 1612. Mais tarde, a região de Schermer Polder também foi drenada por 36 moinhos de vento durante quatro anos, a uma vazão total de 1.000m3/min.(SHEPHERD, 1994) Os moinhos de vento na Holanda tiveram uma grande variedade de aplicações. O primeiro moinho de vento utilizado para a produção de óleos vegetais foi construído em 1582. Com o surgimento da imprensa e o rápido crescimento da demanda por papel, foi construído, em 1586, o primeiro moinho de vento para fabricação de papel. Ao fim do século XVI, surgiram moinhos de vento para acionar serrarias para processar madeiras provenientes do Mar Báltico. Em meados do século XIX, aproximadamente 9.000 moinhos de vento existiam em pleno funcionamento na Holanda. (WADE, 1979 apud CHESF-BRASCEP, 1987) O número de moinhos de vento na Europa nesse período mostra a importância do seu uso em diversos países como a Bélgica (3.000 moinhos de vento), Inglaterra (10.000 moinhos de vento) e França (650 moinhos de vento na região de Anjou)(CHESF-BRASCEP, 1987).

Mountnessing and MGB

Figura 2 – Moinho de vento típico da Holanda

Um importante marco para a energia eólica na Europa foi a Revolução Industrial no final do Século XIX. Com o surgimento da máquina a vapor, iniciou-se o declínio do uso da energia eólica na Holanda. Já no início do século XX, existiam apenas 2.500 moinhos de ventos em operação, caindo para menos de 1.000 no ano de 1960(CHESF-BRASCEP, 1987). Preocupados com a extinção dos moinhos de vento pelo novo conceito imposto pela Revolução Industrial, foi criada, em 1923, uma sociedade holandesa para conservação, melhoria de desempenho e utilização mais efetiva dos moinhos holandeses.

A utilização de cata-ventos de múltiplas pás destinados ao bombeamento d’água desenvolveu-se de forma efetiva, em diversos países, principalmente nas suas áreas rurais. Acredita-se que, desde a segunda metade do século XIX, mais de 6 milhões de cata-ventos já teriam sido fabricados e instalados somente nos Estados Unidos para o bombeamento d’água em sedes de fazendas isoladas e para abastecimento de bebedouros para o gado em pastagens extensas (CHESF-BRASCEP, 1987). Os cata-ventos de múltiplas pás foram usados também em outras regiões como a Austrália, Rússia, África e América Latina. O sistema se adaptou muito bem às condições rurais tendo em vista suas características de fácil operação e manutenção. Toda a estrutura era feita de metal e o sistema de bombeamento era feito por meio de bombas e pistões, favorecidos pelo alto torque fornecido pela grande número de pás. Até hoje esse sistema é largamente usado em várias partes do mundo para bombeamento d’água.

 

Desenvolvimento dos Aerogeradores no Século XX

Com o avanço da rede elétrica, foram feitas, também no início do século XX, várias pesquisas para o aproveitamento da energia eólica em geração de grandes blocos de energia. Enquanto os Estados Unidos estavam difundindo o uso de aerogeradores de pequeno porte nas fazendas e residências rurais isoladas, a Rússia investia na conexão de aerogeradores de médio e grande porte diretamente na rede.

O início da adaptação dos cata-ventos para geração de energia elétrica teve início no final do século XIX. Em 1888, Charles F. Bruch, um industrial voltado para eletrificação em campo, ergueu na cidade de Cleveland, Ohio, o primeiro cata-vento destinado à geração de energia elétrica. Tratava-se de um cata-vento que fornecia 12kW em corrente contínua para carregamento de baterias, as quais eram destinadas, sobretudo, para o fornecimento de energia para 350 lâmpadas incandescentes (SCIENTIFIC AMERICAN, 1890 apud SHEFHERD,1994) (RIGHTER,1991 apud SHEFHERD,1994). Bruch utilizou-se da configuração de um moinho para o seu invento. A roda principal, com suas 144 pás, tinha 17m de diâmetro em uma torre de 18m de altura. Todo o sistema era sustentado por um tubo metálico central de 36cm que possibilitava o giro de todo o sistema acompanhando, assim, o vento predominante. Esse sistema esteve em operação por 20 anos, sendo desativado em 1908. Sem dúvida, o cata-vento de Bruch foi um marco na utilização dos cata-ventos para a geração de energia elétrica.

O invento de Bruch apresentava três importantes inovações para o desenvolvimento do uso da energia eólica para geração de energia elétrica. Em primeiro lugar, a altura utilizada pelo invento estava dentro das categorias dos moinhos de ventos utilizados para beneficiamento de grãos e bombeamento d’água. Em segundo lugar, foi introduzido um mecanismo de grande fator de multiplicação da rotação das pás (50:1) que funcionava em dois estágios, possibilitando um máximo aproveitamento do dínamo cujo funcionamento estava em 500rpm. Em terceiro lugar, esse invento foi a primeira e mais ambiciosa tentativa de se combinar a aerodinâmica e a estrutura dos moinhos de vento com as recentes inovações tecnológicas na produção de energia elétrica.

Um dos primeiros passos para o desenvolvimento de aerogeradores de grande porte para aplicações elétricas foi dado na Rússia em 1931. O aerogerador Balaclava (assim chamado) era um modelo avançado de 100kW conectado, por uma linha de transmissão de 6,3kV de 30km, a uma usina termelétrica de 20MW. Essa foi a primeira tentativa bem sucedida de se conectar um aerogerador de corrente alternada com uma usina termelétrica (SEKTOROV, 1934 apud SHEFHERD, 1994). A energia medida foi de 280.000kWh.ano, o que significa um fator médio de utilização de 32%. O gerador e o sistema de controle ficavam no alto da torre de 30 metros de altura, e a rotação era controlada pela variação do ângulo de passo das pás. O controle da posição era feito através de uma estrutura em treliças inclinada apoiada sobre um vagão em uma pista circular de trilhos. (CHESF-BRASCEP, 1987) ( SHEFHERD, 1994).

Figura 3 - Principais marcos do desenvolvimento da Energia Eólica no Século XX (Fonte: Dutra, 2001)

Após o desenvolvimento desse modelo, foram projetados outros modelos mais ambiciosos de 1MW e 5MW. Aparentemente esses projetos não foram concluídos devido à forte concorrência de outras tecnologias, principalmente a tecnologia de combustíveis fósseis que, com o surgimento de novas reservas, tornava-se mais competitiva economicamente contribuindo, assim, para o abandono de projetos ambiciosos de aerogeradores de grande porte.

A Segunda Guerra Mundial (1.939-1.945) contribuiu para o desenvolvimento dos aerogeradores de médio e grande porte, uma vez que os países em geral empenhavam grandes esforços no sentido de economizar combustíveis fósseis. Os Estados Unidos desenvolveram um projeto de construção do maior aerogerador até então projetado. Tratava-se do aerogerador Smith-Putnam cujo modelo apresentava 53,3m de diâmetro, uma torre de 33,5m de altura e duas pás de aço com 16 toneladas. Na geração elétrica, foi usado um gerador síncrono de 1.250kW com rotação constante de 28rpm, que funcionava em corrente alternada, conectado diretamente à rede elétrica local (VOADEN,1943 apud SHEFHERD, 1994) (PUTNAM,1948 apud SHEFHERD, 1994) (KOEPPL, 1982 apud SHEFHERD, 1994). Esse aerogerador iniciou seu funcionamento em 10 de outubro de 1941, em uma colina de Vermont chamada Grandpa’s Knob. Em março de 1945, após quatro anos de operação intermitente, uma das suas pás (que eram metálicas) quebrou-se por fadiga (SHEFHERD, 1994) (EWEA, 1998A).

Após o fim da Segunda Guerra, os combustíveis fósseis voltaram a abundar em todo o cenário mundial. Um estudo econômico na época mostrava que aquele aerogerador não era mais competitivo e, sendo assim, o projeto foi abandonado. Esse projeto foi pioneiro na organização de uma parceria entre a indústria e a universidade, objetivando pesquisas e desenvolvimento de novas tecnologias voltadas para a geração de energia elétrica através dos ventos. Essa parceria viabilizou o projeto com o maior número de inovações tecnológicas até então posto em funcionamento.

De uma forma geral, após a Segunda Guerra Mundial, o petróleo e grandes usinas hidrelétricas se tornaram extremamente competitivos economicamente, e os aerogeradores foram construídos apenas para fins de pesquisa , utilizando e aprimorando técnicas aeronáuticas na operação e desenvolvimento de pás, além de aperfeiçoamentos no sistema de geração. A Inglaterra, durante a década de cinqüenta, promoveu um grande estudo anemométrico em 100 localidades das Ilhas Britânicas culminando, em 1955, com a instalação de um aerogerador experimental de 100kW em Cape Costa, Ilhas Orkney (CHESF-BRASCEP, 1987) (DIVONE, 1994). Também na década de cinqüenta, foi desenvolvido um raro modelo de aerogerador de 100kW com as pás ocas e com a turbina e gerador na base da torre. Ambos os modelos desenvolvidos na Inglaterra foram abandonados por problemas operacionais e principalmente por desinteresse econômico.

A Dinamarca, no período inicial da 2º Guerra Mundial, apresentou um dos mais significativos crescimentos em energia eólica em toda Europa. Esse avanço deu-se sob a direção dos cientistas dinamarqueses Poul la Cour e Johannes Juul (JUUL, 1964 apud DIVONE, 1994). Sendo um país pobre em fontes energéticas naturais, a utilização da energia eólica teve uma grande importância quando, no período entre as duas guerras mundiais, o consumo de óleo combustível estava racionado. Durante a 2º Guerra Mundial, a companhia F.L.Smidth (F.L.S) foi a pioneira no desenvolvimento de uma série de aerogeradores de pequeno porte, na faixa de 45kW. Nesse período, a energia eólica na Dinamarca produzia, eventualmente, cerca de 4 milhões de quilowatt-hora anuais, dada a grande utilização dessas turbinas em todo o país. O sucesso dos aerogeradores de pequeno porte da F.L.S, que ainda operavam em corrente contínua, possibilitou um projeto de grande porte ainda mais ousado. Projetado por Johannes Juul, um aerogerador de 200kW com 24m de diâmetro de rotor foi instalado nos anos de 1956 e 1957 na ilha de Gedser. Esse aerogerador apresentava três pás e era sustentado por uma torre de concreto. O sistema forneceu energia em corrente alternada para a companhia elétrica SydÆstsjaellands Elektricitets Aktieselskab (SEAS), no período entre 1958 e 1967, quando o fator de capacidade atingiu a meta de 20% em alguns dos anos de operação. (DIVONE, 1994) (EWEA, 1998a)

A França também se empenhou nas pesquisas de aerogeradores conectados à rede elétrica. Entre 1958 e 1966 foram construídos diversos aerogeradores de grande porte. Entre os principais estavam três aerogeradores de eixo horizontal e três pás. Um dos modelos apresentava 30 metros de diâmetro de pá com potência de 800 kW a vento de 16,5m/s. Esse modelo esteve em operação, conectado à rede EDF, nos anos de 1958 a 1963 (CHESF-BRASCEP, 1987) (BONNEFILLE, 1974 apud DIVONE, 1994). Todo o sistema elétrico funcionou em estado satisfatório, o que não ocorreu, entretanto, com diversas partes mecânicas. O mais importante desse projeto foi, sem dúvida, o bom funcionamento interligado à rede elétrica de corrente contínua. O segundo aerogerador apresentava 21 metros de diâmetro operando com potência de 132kW a vento de 13,5m/s; foi instalado próximo ao canal inglês de Saint-Remy-des-Landes, onde operou com sucesso durante três anos, com um total de 60 dias em manutenção por problemas diversos (CHESF-BRASCEP, 1987) (DIVONE, 1994). O terceiro aerogerador operou por apenas sete meses entre 1963 e 1964. Tratava-se de um aerogerador que operava com potência de 1.085kW a vento de 16,5m/s, apresentava três pás com um rotor de 35m. Esses três protótipos mostraram claramente a possibilidade de se conectar aerogeradores à rede de distribuição de energia elétrica. (DIVONE, 1994)

Durante o período entre 1955 e 1968, a Alemanha construiu e operou um aerogerador com o maior número de inovações tecnológicas na época. Os avanços tecnológicos desse modelo persistem até hoje na concepção dos modelos atuais, mostrando o seu sucesso de operação. Tratava-se de um aerogerador de 34 metros de diâmetro operando com potência de 100kW, a ventos de 8m/s (HÜTTER, 1973, 1974 apud DIVONE, 1994). Esse aerogerador possuía rotor leve em materiais compostos, duas pás a jusante da torre, sistema de orientação amortecida por rotores laterais e torre de tubos estaiada; operou por mais de 4.000 horas entre 1957 e 1968. As pás, por serem feitas de materiais compostos, aliviaram os esforços em rolamentos, diminuindo assim os problemas de fadiga. Essa inovação mostrou ser muito mais eficiente comparada aos modelos até então feitos de metais. Em 1968, quando o modelo foi desmontado e o projeto encerrado por falta de verba, as pás do aerogerador apresentavam perfeitas condições de uso (CHESF-BRASCEP, 1987) (DIVONE, 1994).

 

A evolução comercial de aerogeradores de grande porte

O comércio de aerogeradores no mundo se desenvolveu rapidamente em tecnologia e tamanhos durante os últimos 15 anos. A figura 4 mostra o impressionante desenvolvimento do tamanho e da potência de aerogeradores desde 1985.

Figura 4 - Evolução dos aerogeradores desde 1985 até 2005 (Fonte: DEWI,2005)

 

A potência eólica instalada no mundo

O perfil do crescimento da energia eólica na década de 90 indica perspectivas promissoras para o crescimento da indústria eólica mundial para as próximas décadas. Mesmo considerando-se uma desaceleração no aumento da potência instalada nos últimos anos, a procura por novos mercados e o desenvolvimento de aerogeradores de maior porte mostram boas perspectivas para um crescimento mais sustentável e não tão acelerado para a próxima década. A tabela 1 mostra a potência eólica instalada em diversos países desde 1998.

Tabela 1 - Utilização internacional da energia eólica.

PAÍS Potência acumulada ao final de cada ano [MW]
2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997
Estados Unidos 25.170,0 16.818,8 11.603,0 9.149,0 6.752,0 6.352,0 4.685,0 4.258,0 2.564,0 2.534,0 1.820,0 1.673,0
Alemanha 23.902,8 22.247,4 20.622,0 18.427,5 16.628,0 14.609,0 12.400,0 8.754,0 6.095,0 4.443,0 2.875,0 2.081,0
Espanha 16.740,3 15.145,1 11.630,0 10.027,9 8.263,0 6.202,0 4.830,0 3.337,0 2.535,0 1.542,0 834,0 512,0
China 12.210,0 5.912,0 2.599,0 1.266,0 764,0 566,0 468,0 404,0 352,0 262,0 500,0 166,0
Índia 9.587,0 7.850,0 6.270,0 4.430,0 2.983,0 2.120,0 1.702,0 1.500,0 1.260,0 1.035,0 992,0 940,0
Itália 3.736,0 2.726,1 2.123,4 1.718,3 1.265,0 891,0 785,0 697,0 427,0 183,0 178,0 103,0
França 3.404,0 2.455,0 1.567,0 757,2 390,0 240,0 131,0 116,0 63,0 25,0 21,0 10,0
Reino Unido 3.287,9 2.389,0 1.962,9 1.353,0 897,0 704,0 552,0 483,0 409,0 347,0 333,0 319,0
Dinamarca 3.160,0 3.125,0 3.136,0 3.128,0 3.118,0 3.115,0 2.880,0 2.534,0 2.415,0 1.771,0 1.383,0 1.148,0
Portugal 2.862,0 2.130,0 1.716,0 1.022,0 523,0 299,0 194,0 153,0 111,0 61,0 51,0 38,0
Canadá 2.369,0 1.846,0 1.460,0 683,0 444,0 326,0 221,0 198,0 137,0 125,0 82,0 25,0
Holanda 2.225,0 1.747,0 1.559,0 1.224,0 1.078,0 912,0 686,0 497,0 442,0 411,0 361,0 319,0
Japão 1.880,0 1.528,0 1.309,0 1.040,0 940,0 644,0 415,0 316,0 142,0 68,0 30,0 18,0
Austrália 1.494,0 817,3 817,3 579,0 380,0 198,0 104,0 71,0 30,0 9,0 9,0 11,0
Irlanda 1.244,7 805,0 746,0 495,2 353,0 225,0 137,0 125,0 119,0 73,0 73,0 53,0
Suécia 1.066,9 831,0 571,2 509,1 442,0 399,0 328,0 290,0 241,0 215,0 174,0 122,0
Áustria 994,9 981,5 964,5 819,0 607,0 415,0 139,0 95,0 77,0 42,0 30,0 20,0
Grécia 989,7 873,3 757,6 573,3 466,0 398,0 276,0 299,0 274,0 158,0 55,0 29,0
Polônia 472,0 276,0 153,0 73,0 58,0 58,0 27,0 51,0 5,0 5,0 5,0 2,0
Noruega 428,0 333,0 325,0 268,0 160,0 112,0 97,0 17,0 13,0 9,0 9,0 4,0
Egito 390,0 310,0 230,0 145,0 145,0 69,0 69,0 69,0 69,0 36,0 6,0 5,0
Bélgica 383,6 286,9 194,3 167,4 97,0 68,0 44,0 31,0 13,0 6,0 6,0 4,0
Taiwan 358,2 279,9 187,7 103,7  nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd 
Brasil 338,5 247,1 236,9 28,6 28,6 28,6 24,0 24,0 22,0 17,0 17,0 3,0
Turquia 333,4 206,8 64,6 20,1 20,0 20,0 19,0 19,0 19,0 9,0 9,0       -   
Nova Zelândia 325,3 321,8 171,0 168,2 170,0 38,0 35,0 35,0 35,0 24,0 24,0 4,0
Coréia do Sul 278,0 192,1 176,3 119,1 8,0 8,0  nd   nd   nd   nd   nd  2,0
Bulgária 157,5 56,9 36,0 14,0  nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd 
República Tcheca 150,0 116,0 56,5 29,5  nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd 
Finlândia 140,0 110,0 86,0 82,0 82,0 47,0 41,0 39,0 39,0 18,0 18,0 12,0
Hungria 127,0 65,0 60,9 17,5  nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd 
Marrocos 125,2 125,2 64,0 64,0 54,0 54,0 54,0 54,0 54,0 14,0  nd   nd 
Ucrânia 90,0 89,0 85,6 77,3 57,0 51,0  nd   nd   nd   nd   nd  5,0
México 85,0 85,0 84,0 2,2  nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd 
Irã 82,0 66,5 47,4 31,6 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0
Estónia 78,3 58,6 33,0 33,0  nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd 
Costa Rica 74,0 74,0 74,0 71,0 71,0 71,0 71,0 71,0 51,0 51,0 27,0 20,0
Lituânia 54,4 52,3 55,0 7,0  nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd   nd 
Luxemburgo 35,3 35,3 35,3 35,3 35,0 16,0 16,0 15,0 15,0 9,0 9,0 2,0
Letónia 30,0 27,4 27,4 27,4 nd nd nd nd nd nd nd nd
Argentina 29,8 29,8 27,8 26,8 26,0 26,0 27,0 27,0 16,0 14,0 14,0 9,0
Outros Países 298,2 254,7 225,2 210,9 239,0 141,0 569,0 337,0 394,0 405,0 197,0 22,0
Total 121.188 93.927 74.151 59.024 47.555 39.434 32.037 24.927 18.449 13.932 10.153 7.692

(Fonte: WWEA, 2009, 2008, 2006, WINDPOWER MONTHLY, 2004, 2006, NEW ENERGY, 2003, 2002, 2000, BTM CONSULT, 2000)

 

O Recurso Eólico

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.

 

Mecanismos de Geração dos Ventos

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. Conseqüentemente, 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 5 apresenta esse mecanismo.

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:

formação dos ventos

Figura 5 - Formação dos ventos devido ao deslocamento das massas de ar.
(Fonte: Atlas Eólico do Brasil, 1998)

Tendo em vista que o eixo da Terra está inclinado de 23,5° 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.

 

Fatores que influenciam o regime dos ventos

O comportamento estatístico do vento ao longo do dia é um fator que é influenciado pela variação de velocidade do vento ao longo do tempo. As características topográficas de uma região também influenciam o comportamento dos ventos uma vez que, em uma determinada área, podem ocorrer diferenças de velocidade, ocasionando a redução ou aceleração na velocidade do vento. Além das variações topográficas e de rugosidade do solo, a velocidade também varia seu comportamento com a altura.

Tendo em vista que a velocidade do vento pode variar significativamente em curtas distâncias (algumas centenas de metros), os procedimentos para avaliar o local, no qual se deseja instalar aerogeradores, devem levar em consideração todos os parâmetros regionais que influenciam nas condições do vento. Entre os principais fatores de influência no regime dos ventos destacam-se:

As informações necessárias para o levantamento das condições regionais podem ser obtidas a partir de mapas topográficos e de uma visita ao local de interesse para avaliar e modelar a rugosidade e os obstáculos. O uso de imagens aéreas e dados de satélite também contribuem para uma análise mais acurada.

A figura 6 mostra, de uma forma genérica, como os ventos se comportam quando estão sob a influência das características da superfície do solo.

Figura 6 - Comportamento do vento sob a influência das características do terreno
(Fonte: Atlas Eólico do Brasil, 1998)

 

Energia e Potência Extraída do Vento

A energia cinética de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade v é dada por:

(3.1)

Considerando a mesma massa de ar m em movimento a uma velocidade v, perpendicular a uma sessão transversal de um cilindro imaginário (figura 7), pode-se demonstrar que a potênica disponível no vento que passa pela seção A, transversal ao fluxo de ar, é dada por:

(3.2)

Onde:

Figura 7 - Fluxo de ar através de uma área transversal A

A expressão 3.2 também pode ser escrita por unidade de área, definindo, desta forma, a densidade de potência DP, ou fluxo de potência:

(3.3)

Ao reduzir a velocidade do deslocamento da massa de ar, a energia cinética do vento é convertida em energia mecânica através da rotação das pás. A potência disponível no vento não pode ser totalmente aproveitada pelo aerogerador na conversão de energia elétrica. Para levar em conta esta característica física, é introduzido um índice denominado coeficiente de potência cp, que pode ser definido como a fração da potência eólica disponível que é extraída pelas pás do rotor.

Para determinar o valor máximo desta parcela de energia extraída do vento (cp máximo), o físico alemão Albert Betz considerou um conjunto de pás em um tubo onde v1 representa a velocidade do vento na região anterior às pás, v2 a velocidade do vento no nível das pás e v3 a velocidade no vento após deixar as pás, conforme apresentado na figura 8.

Figura 8 – Perdas de velocidade do vento na passagem por um conjunto de pás.

Como na figura 8, Betz assume um deslocamento homogêneo do fluxo de ar a uma velocidade v1 que é retardada pelo conjunto de pás, assumindo uma velocidade v3 a jusante das pás. Pela lei da continuidade, temos que:

(3.4)

Como a redução da pressão do ar é mínima, a densidade do ar pode ser considerada constante. A energia cinética extraída pelo aerogerador é a diferença entre a energia cinética a montante e a energia cinética a jusante do conjunto de pás:

(3.5)

A potência extraída do vento por sua vez é dada por:

(3.6)

Neste ponto é necessário fazer duas considerações extremas sobre a relação entre as velocidades v1 e v3:

A partir dessas duas considerações extremas, a velocidade referente ao máximo de potência extraída é um valor entre v1 e v3. Este valor pode ser calculado se a velocidade no rotor v2 é conhecida. A massa de ar é dada por:

(3.7)

Pelo teorema de Rankine-Froude, pode-se assumir que a relação entre as velocidades v1, v2 e v3 é dada por:

(3.8)

Se a massa de ar apresentada na equação 3.7 e a velocidade v2 apresentada na equação 3.8 forem inseridas na mesma equação 3.6, tem-se:

(3.9)

Onde:

Figura 9 – Distribuição de cp em função de v3/v1

Ao considerar o coeficiente de potência cp em função de v3/v1 temos que:

A figura 10 mostra as principais forças atuantes em uma pá do aerogerador, assim como os ângulos de ataque (α) e de passo (β). A força de sustentação é perpendicular ao fluxo do vento resultante visto pela pá (Vres), resultado da subtração vetorial da velocidade do vento incidente (Vw) com a velocidade tangencial da pá do aerogerador (Vtan), conforme a equação (3.10).

(3.10)

A força de arrasto é produzida na mesma direção de Vres. A resultante das componentes da força de sustentação e de arrasto na direção Vtan, produz o torque do aerogerador.

Figura 10 – Principais forças atuantes em uma pá de aerogerador
(Fonte: Montezano, 2008)

A potência mecânica extraída do vento pelo aerogerador depende de vários fatores. Mas tratando-se de estudos elétricos, o modelo geralmente apresentado nas literaturas é simplificado pelas equações (3.11) e (3.12). (PAVINATTO, 2005)

(3.11)

Com:

(3.12)

Onde:

Figura 11 – Característica cp(λ, β) traçadas em função de aproximações numéricas
(Fonte: Montezano, 2008)

Na equação (3.11), o coeficiente de potência cp(λ, β) depende das características do aerogerador, sendo função da razão de velocidades λ e do ângulo de passo β das pás (pitch) do aerogerador. O cp(λ, β) é expresso como uma característica bidimensional.

Aproximações numéricas normalmente são desenvolvidas para o cálculo de cp para valores dados de λ e β (RAIAMBAL e CHELLAMUTH, 2002 apud Pavinatto, 2005). A figura 11 mostra a característica cp(λ, β) traçada para vários valores de β.

 

Tipos de Aerogeradores para Geração de Energia Elétrica

Rotores de Eixo Vertical

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 devido às 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.

Figura 12 - Aerogerador experimental de eixo vertical (SANDIA, 2006)

 

Rotores de Eixo Horizontal

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.

Figura 13 - Aerogerador de eixo horizontal

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.

 

4.2.1 Componentes de um aerogerador de eixo horizontal

As principais configurações de um aerogerador de eixo horizontal podem ser vistas na figura 14. Estes aerogeradores são diferenciadas pelo tamanho e formato da nacele, pela presença ou não de uma caixa multiplicadora e pelo tipo de gerador utilizado (convencional ou multipolos). A seguir são apresentados os principais componentes do aerogerador que são, de uma forma geral, a torre, a nacele e o rotor.

Figura 14 - Componentes de um aerogerador de eixo horizontal

4.2.1.1 Nacele

É a carcaça montada sobre a torre, onde se situam o gerador, a caixa de engrenagens (quando utilizada), todo o sistema de controle, medição do vento e motores para rotação do sistema para o melhor posicionamento em relação ao vento. A figura 15 e 16 mostram os principais componentes instalados em dois tipos de naceles, uma delas utilizando um gerador convencional e outra utilizando um gerador multipolos.

  1. Controlador do Cubo
  2. Controle pitch
  3. Fixação das pás no cubo
  4. Eixo principal
  5. Aquecedor de óleo
  6. Caixa multiplicadora
  7. Sistema de freios
  8. Plataforma de serviços
  9. Controladores e Inversores
  10. Sensores de direção e velocidade do vento
  11. Transformador de alta tensão
  12. Pás
  13. Rolamento das pás
  14. Sistema de trava do rotor
  15. Sistema hidráulico
  16. Plataforma da nacele
  17. Motores de posiciona-mento da nacele
  18. Luva de acoplamento
  19. Gerador
  20. Aquecimento de ar

Figura 15 – Vista do interior da nacele de um aerogerador utilizando um gerador convencional
(Fonte: Vestas, 2006)

  1. Apoio principal da nacele
  2. Motores de orientação da nacele
  3. Gerador em anel (multipolos)
  4. Fixador das pás ao eixo
  5. Cubo do rotor
  6. Pás
  7. Sensores de direção e velocidade do vento

Figura 16 – Vista do interior da nacele de um aerogerador utilizando um gerador multipolos
(Fonte: Enercon, 2006)

4.2.1.2 Pás, cubo e eixo

As pás são perfis aerodinâmicos responsáveis pela interação com o vento, convertendo parte de sua energia cinética em trabalho mecânico. Inicialmente fabricadas em alumínio, atualmente são fabricadas em fibras de vidro reforçadas com epoxi. Nos aerogeradores que usam controle de velocidade por passo, a pá dispõe de rolamentos em sua base para que possa girar, modificando assim seu ângulo de ataque.

As pás são fixadas através de flanges em uma estrutura metálica a frente do aerogerador denominada cubo. Esta estrutura é construída em aço ou liga de alta resistência. Para os aerogeradores que utilizem o controle de velocidade por passo, o cubo, além de apresentar os rolamentos para fixação das pás, também acomoda os mecanismos e motores para o ajuste do ângulo de ataque de todas as pás. É importante citar que por se tratar de uma peça mecânica de alta resistência, o cubo é montado de tal forma que, ao sair da fábrica, este apresenta-se como peça única e compacta viabilizando que, mesmo para os aerogeradores de grande porte, seu transporte seja feito sem a necessidade de montagens no local da instalação.

O eixo é o responsável pelo acoplamento do cubo ao gerador, fazendo a transferência da energia mecânica da turbina. É construído em aço ou liga metálica de alta resistência.

  

Figura 17 – Detalhe de um e um pátio com diversos modelos de pás

4.2.1.3 Transmissão e Caixa Multiplicadora

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 14 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 150rpm, devido às restrições de velocidade na ponta da pá (tip speed). Entretanto, geradores (sobretudo geradores síncronos) trabalham em rotações muito mais elevadas (em geral, entre 1.200 a 1.800rpm), tornando necessária 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 construí-los. 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 suas vantagens e desvantagens e a decisão em usar o multiplicador ou fabricar um aerogerador sem caixa de transmissão é, antes de tudo, uma questão de filosofia do fabricante.

Figura 18 - Gerador conectado a caixa de engrenagens (vista à direita)

4.2.1.4 Gerador

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.

Entretanto, a integração de geradores no sistema de conversão eólica constitui-se em um grande problema, que envolve principalmente:

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 ao sistema de conversão de energia eólica.

Figura 19 - Gerador convencional 

Figura 20 - Gerador multipolos

4.2.1.5 Torre

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 do sistema. Inicialmente, as turbinas utilizavam torres de metal treliçado. Com o uso de geradores com potências cada vez maiores, as naceles passaram a sustentar um peso muito elevado tanto do gerador quanto das pás. Desta forma, para dar maior mobilidade e segurança para sustentar toda a nacele em alturas cada vez maiores, tem-se utilizado torres de metal tubular ou de concreto que podem ser sustentadas ou não por cabos tensores.

 

Mecanismo de Controle

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).

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.

 

4.3.1 Controle de Passo

O controle de passo é um sistema ativo que normalmente necessita de uma informação vinda do sistema de controle. 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, conseqüentemente, a extração de potência do vento. Para todas as velocidades de vento superiores à velocidade nominal, o ângulo é escolhido de forma que o aerogerador produza apenas a potência nominal.

Figura 21 - Fluxo aderente ao perfil

Sob todas as condições de vento, o escoamento em torno dos perfis das pás do rotor é bastante aderente à superfície (Figura 21), produzindo, portanto, sustentação aerodinâmica e pequenas forças de arrasto. Aerogeradores com controle de passo são mais sofisticadas do que as de passo fixo, controladas por estol, porque necessitam de um sistema de variação de passo. Por outro lado, elas possuem certas vantagens:

Figura 22 - Forma típica de uma curva de potência de um
aerogerador com controle de passo

4.3.2Controle Estol

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) (Figura 23), reduzindo as forças de sustentação e aumentando as 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.

Figura 23 - Fluxo separado (estol) em volta do perfil

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 (Figura 23), produzindo, portanto sustentações menores e forças de arrasto muito mais elevadas. Aerogeradores com controle estol são mais simples do que as de controle de passo porque elas não necessitam de um sistema de mudança de passo. Em comparação com os aerogeradores com controle de passo, eles 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 uma velocidade constante do rotor, geralmente dada pelo gerador de indução diretamente acoplado à rede.

Apenas nos dois últimos anos uma mistura de controle por estol e de passo apareceu, o conhecido “estol ativo”. Neste caso, o passo da pá do rotor é girado na direção do estol e não na direção da posição de embandeiramento (menor sustentação) como é feito em sistema de passo normais. As vantagens deste sistema são:

Figura 24 - Curva de potência  típica de um aerogerador com controle tipo estol.

Sistema Elétrico de um aerogerador e qualidade de energia

Aerogeradores com velocidade constante

Nos aerogeradores com velocidade constante, o gerador é diretamente conectado à rede elétrica. A freqüência da rede determina a rotação do gerador e, portanto, a do aerogerador. A baixa rotação do aerogerador nt é transmitida ao gerador, de rotação ng por um multiplicador com relação de transmissão r. A velocidade do gerador depende do número de polos p e da freqüência do sistema elétrico f dados por:

(5.1)

A figura 25 mostra um esquema elétrico de um aerogerador com velocidade constante. Estas máquinas usam geradores elétricos assíncronos, ou de indução, cuja maior vantagem é sua construção simples e barata, além de dispensarem dispositivos de sincronismo. As desvantagens destes geradores são as altas correntes de partida e sua demanda por potência reativa. As altas correntes de partida podem ser suavizadas por um tiristor de corrente, ou de partida.

Figura 25 – Esquema elétrico de um gerador com velocidade constante (DEWI, 2005)

Aerogeradores com velocidade variável

Os aerogeradores com velocidade variável podem usar geradores síncronos ou assíncronos como mostra a figura 26.

Figura 26 – Esquema elétrico de um gerador com velocidade variável que usa uma conversora de freqüência para o controle da freqüência da geração elétrica (DEWI, 2005)

A conexão ao sistema elétrico é feita por meio de um conversor de freqüência eletrônico, formado por um conjunto retificador/inversor. A tensão produzida pelo gerador síncrono é retificada e a corrente contínua resultante é invertida, com o controle da freqüência de saída sendo feito eletronicamente através dos tiristores. Como a freqüência produzida pelo gerador depende de sua rotação, esta será variável em função da variação da rotação da turbina eólica. Entretanto, por meio do conversor, a freqüência da energia elétrica fornecida pelo aerogerador será constante e sincronizada com o sistema elétrico.

Quando são usados geradores assíncronos, ou de indução, é necessário prover energia reativa para a excitação do gerador, que pode ser feita por auto-excitação, usando-se capacitores adequadamente dimensionados, de forma similar ao caso do aerogerador com velocidade constante. Neste caso, deve-se instalar os capacitores antes do retificador, uma vez que o conversor de freqüência faz isolamento galvânico no sistema, não permitindo a absorção de energia reativa externa, seja do sistema elétrico ou de capacitores. (CUSTODIO, 2002)

Outra alternativa é o uso de geradores assíncronos duplamente alimentado, isto é, com dois enrolamentos que apresentam velocidades síncronas diferentes. O uso de enrolamento rotórico associado a uma resistência variável, em série, permite o controla da velocidade do gerador pela variação do escorregamento, mantendo a freqüência elétrica do gerador no valor definido pelo sistema elétrico ao qual o aerogerador está conectado.

A idéia básica do aerogerador com velocidade variável é o desacoplamento da velocidade de rotação e, conseqüentemente, do rotor do aerogerador, da freqüência elétrica da rede. O rotor pode funcionar com velocidade variável ajustada à situação real da velocidade do vento, garantindo um desempenho aerodinâmico maximizado. Uma vantagem é a redução das flutuações de carga mecânica. As desvantagens são os altos esforços de construção e a geração de harmônicos, associados à conversão de freqüência, que podem ser reduzidos significativamente com o uso de filtros que, por sua vez, aumentam os custos. (CUSTODIO, 2002)

 

Qualidade da energia

A qualidade de energia no contexto da geração eólica descreve o desempenho elétrico do sistema de geração de eletricidade do aerogerador onde quaisquer perturbações sobre a rede elétrica devem ser mantidas dentro de limites técnicos estabelecidos conforme o nível de exigência imposto pelo gerente de operações da rede.

Para a maior parte das aplicações de unidades eólicas, a rede pode ser considerada como um componente capaz de absorver toda a potência gerada por estas unidades, com tensão e freqüência constantes. No caso, por exemplo, de sistemas isolados de pequeno porte, podem ser encontradas situações onde a potência elétrica fornecida pelo aerogerador alcance valores compatíveis com a capacidade da rede. Onde a rede é fraca[1], a qualidade da energia deve ser uma das principais questões a serem observadas sobre a utilização de aerogeradores (tamanho, tipo de controle, etc.)

A tabela 2 descreve os principais distúrbios causados por aerogeradores na rede elétrica e as respectivas causas, que podem ser resumidas em condições meteorológicas, do terreno, e especificamente sobre as características elétricas, aerodinâmicas, mecânicas e de controle presente no aerogerador (GERDES,1997).

Tabela 2 – Distúrbios causados por aerogeradores à rede elétrica
Distúrbios Causa
  • Elevação / queda de tensão
  • Valor médio da potência entregue
  • Flutuações de tensão e cintilação
  • Operações de chaveamento
  • Efeito de sombreamento da torre
  • Erro de passo da pá
  • Erro de mudança de direção
  • Distribuição vertical do vento
  • Flutuações da velocidade do vento
  • Intensidade de turbulências
  • Harmônicos
  • Conversores de freqüência
  • Controladores tiristorizados
  • Capacitores
  • Consumo de potência reativa
  • Componentes indutivos ou sistemas de geração
(Fonte: CARVALHO,2003)

 É importante observar que os cuidados na conexão à rede elétrica devem ser observados e avaliados ainda na fase de planejamento. Quando várias máquinas eólicas são conectadas em um parque, o nível de potência entregue por unidade pode variar devido à localização das máquinas no parque e o efeito de “sombra” causado pelos aerogeradores a montante àqueles que se encontram em fileiras mais afastadas em relação a direção do vento predominante.

O tipo de gerador utilizado (síncrono ou assíncrono) produz diferentes níveis de flutuação nas variáveis elétricas de saída. Isto pode ser verificado particularmente para as unidades de grande porte, com potência superiores a 1 MW, visto que as de pequeno e médio porte podem influenciar a rede apenas quando estão conectadas em grande número. Devido aos baixos valores de escorregamento, geradores assíncronos conectados diretamente à rede elétrica, operando com velocidade quase constante, geram flutuações mais significativas do que geradores síncronos em velocidade variável, conectados à rede via unidade retificadora/inversora.(CARVALHO,2003)

No caso específico de distribuições de harmônicos, considerado como um grave problema para a manutenção da qualidade de energia, a principal fonte de harmônicos são os conversores de freqüência empregados para conectar os geradores eólicos à rede elétrica. Assim, os geradores eólicos assíncronos ou síncronos ligados diretamente à rede elétrica não necessitam de maiores atenções neste aspecto.

 

Aplicações dos 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, de uma unidade de armazenamento.

Aplicações de Aerogeradores

Figura 27 - Considerações sobre o tamanho dos aerogeradores e suas principais aplicações

 

Sistemas Isolados

Os sistemas isolados, em geral, utilizam alguma forma de armazenamento de energia. Este armazenamento pode ser feito através de baterias, com o objetivo de utilizar aparelhos elétricos, ou na forma de energia gravitacional, com a finalidade de armazenar a água bombeada em reservatórios 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 evitar danos à bateria por sobrecarga ou descarga profunda.

Para alimentação de equipamentos que operam com corrente alternada (CA) é necessário a utilização de um inversor. Este dispositivo geralmente incorpora um seguidor do ponto de máxima potência necessário para otimização da potência produzida. Este sistema é usado quando se deseja utilizar eletrodomésticos convencionais.

Figura 28 - Configuração de um sistema eólico isolado

 

Sistemas Híbridos

Os sistemas híbridos são aqueles que, desconectados da rede convencional, apresentam várias fontes de geração de energia como, por exemplo, turbinas eólicas, geração 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 na entrega da energia para o usuário.

Em geral, os sistemas híbridos são empregados em sistemas de médio a grande 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.

Figura 29 – Configuração de um sistema híbrido solar-eolico-diesel

 

Sistemas Interligados à Rede

Os sistemas interligados à rede utilizam um grande número de aerogeradores e não necessitam de sistemas de armazenamento de energia, pois toda a geração é entregue diretamente à rede elétrica. O total de potência instalada no mundo de sistemas eólicos interligados à rede somam aproximadamente 120 GW (WWEA,2009).

Figura 30 – Parque eólico conectado à rede – Parque Eólico da Prainha - CE

 

Sistemas Off-Shore

As instalações off-shore representa a nova fronteira da utilização da energia eólica. Embora representem instalações de maior custo de transporte, instalação e manutenção, as instalações off-shore têm crescido a cada ano principalmente com o esgotamento de áreas de grande potencial eólico em terra.

A indústria eólica tem investido no desenvolvimento tecnológico da adaptação das turbinas eólicas convencionais para uso no mar. Além do desenvolvimento tecnológico, os projetos off-shore necessitam de estratégias especiais quanto ao tipo de transporte das máquinas, sua instalação e operação. Todo o projeto deve ser coordenado de forma a utilizarem os períodos onde as condições marítimas propiciem um deslocamento e uma instalação com segurança.

Figura 31 – Parque eólico instalado no mar do norte (Fonte:Britsc,2005)

Atlas do Potencial Eólico Brasileiro

Distribuição da velocidade média anual do vento

Atlas do Potencial Eólico Brasileiro

Fig. 33 - Mapa temático da Velocidade Média Anual do Vento a 50 metros de Altura em m/s
(Fonte: Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, 2001)

Cálculo do Potencial Eólico Brasileiro

Potencial Eólico Brasileiro

(Fonte: Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, 2001)

Projetos Implementados no Brasil

USINAS do tipo EOL em Operação
Usina Potência Fiscalizada (kW) Proprietário Município
Eólica de Prainha 10.000 Wobben Wind Power Industria e Comércio Ltda Aquiraz - CE
Eólica de Taíba 5.000 Wobben Wind Power Industria e Comércio Ltda São Gonçalo do Amarante - CE
Eólica-Elétrica Experimental do Morro do Camelinho 1.000 CEMIG Geração e Transmissão S/A Gouveia - MG
Eólio - Elétrica de Palmas 2.500 Centrais Eólicas do Paraná Ltda. Palmas - PR
Eólica de Fernando de Noronha 225 Centro Brasileiro de Energia Eólica - FADE/UFPE Fernando de Noronha - PE
Parque Eólico de Beberibe 25.600 Eólica Beberibe S.A. Beberibe - CE
Mucuripe 2.400 Wobben Wind Power Industria e Comércio Ltda Fortaleza - CE
RN 15 - Rio do Fogo 49.300 Energias Renováveis do Brasil S.A. Rio do Fogo - RN
Eólica de Bom Jardim 600 Parque Eólico de Santa Catarina Ltda Bom Jardim da Serra - SC
Foz do Rio Choró 25.200 SIIF Cinco Geração e Comercialização de Energia S.A. Beberibe - CE
Eólica Olinda 225 Centro Brasileiro de Energia Eólica - FADE/UFPE Olinda - PE
Eólica Canoa Quebrada 10.500 Rosa dos Ventos Geração e Comercialização de Energia S.A. Aracati - CE
Lagoa do Mato 3.230 Rosa dos Ventos Geração e Comercialização de Energia S.A. Aracati - CE
Parque Eólico do Horizonte 4.800 Central Nacional de Energia Eólica Ltda Água Doce - SC
Eólica Paracuru 23.400 Eólica Paracuru Geração e Comercialização de Energia S.A. Paracuru - CE
Eólica Praias de Parajuru 28.804 Central Eólica Praia de Parajuru S/A Beberibe - CE
Pedra do Sal 18.000 Eólica Pedra do Sal S.A. Parnaíba - PI
Macau 1.800 Petróleo Brasileiro S/A Macau - RN
Eólica Água Doce 9.000 Central Nacional de Energia Eólica Ltda Água Doce - SC
Parque Eólico de Osório 50.000 Ventos do Sul Energia S/A Osório - RS
Parque Eólico Sangradouro 50.000 Ventos do Sul Energia S/A Osório - RS
Taíba Albatroz 16.500 Bons Ventos Geradora de Energia S.A. São Gonçalo do Amarante - CE
Parque Eólico dos Índios 50.000 Ventos do Sul Energia S/A Osório - RS
Millennium 10.200 SPE Millennium Central Geradora Eólica S/A Mataraca - PB
Presidente 4.500 Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB
Camurim 4.500 Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB
Albatroz 4.500 Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB
Coelhos I 4.500 Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB
Coelhos III 4.500 Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB
Atlântica 4.500 Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB
Caravela 4.500 Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB
Coelhos II 4.500 Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB
Coelhos IV 4.500 Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB
Mataraca 4.500 Vale dos Ventos Geradora Eólica S.A Mataraca - PB
Total: 34 Usina(s) Potência Total: 443.284 kW  

(Fonte:Banco de Informações de Geração (BIG) - www.aneel.gov.br, 21/08/2009)

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[1] O conceito de rede “fraca” ou “forte” está intimamente ligado a potência de curto circuito da rede. Uma rede é dita “fraca” quando no ponto de interligação a relação entre a potência de curto circuito da rede e a potência eólico-elétrica injetada na rede é pequena. Se a relação é grande, a rede é dita ser forte ou robusta, sendo capar de absorver as perturbações elétricas; a rede comporta-se semelhante a um barramento infinito (CARVALHO,2003)