·

Engenharia Ambiental ·

Fontes de Energia

Envie sua pergunta para a IA e receba a resposta na hora

Fazer Pergunta

Recomendado para você

Texto de pré-visualização

Fundação Oswaldo Aranha Energia e Meio Ambiente Sistemas Eólicos de Geração de Energia Elétrica 1 Introdução A utilização de sistemas eólicos foram uma das primeiras fontes naturais de energia a serem utilizadas Existem indícios de que moinhos de vento foram utilizados na Babilônia e na China entre 2000 e 1700 AC A extração de energia do vento especialmente na forma de eletricidade tem despertado cada vez mais o interesse das empresas e dos governos A energia eólica é a forma de energia renovável que mais cresce atualmente Estimase que a energia eólica poderá suprir de 5 a 15 das demandas por eletricidade dos Estados Unidos por volta de 2020 O impacto ambiental da energia eólica é considerado como sendo o menor dentre as formas de geração de energia elétrica Fundação Oswaldo Aranha Outras características positivas das turbinas de vento são os seus curtos períodos de construção e o tamanho reduzido de suas unidades em relação às de outros tipos de geradores de eletricidade O uso residencial da energia eólica poderá ter um papel interessante na forma de complemento para a energia solar pois normalmente dias com pouco sol geralmente são aqueles com ventos acima da média Também chamado de sistema híbrido Os moinhos de vento foram introduzidos na Europa por volta do século XII e em 1750 a Holanda tinha 8000 deles e a Inglaterra 10000 Sua utilização entrou em declínio após a introdução do motor a vapor de Watt no final do século XVIII e este declínio foi acelerado no início do século XX como resultado da disponibilidade de combustíveis fósseis baratos e confiáveis assim como da energia hidráulica O desenvolvimento do atual setor de energia eólica nos Estados Unidos iniciouse após a crise energética de 1973 assunto já discutido em sala em aulas anteriores com a construção pela Nasa e pelo Departamento de Energia de máquinas de demonstração capazes de gerar muitos quilowatts de energia Fundação Oswaldo Aranha 2 Recurso Energético A energia eólica é uma fonte primária de energia formada através do acúmulo de energia solar através de diversos processos naturais Desta forma esta concentração possui locais e características definidas que a tornam economicamente viáveis A taxa de formação do recurso por processos naturais podem ser maiores que sua taxa de consumo tornandoo um recurso energético renovável Fator de Capacidade Energia firme disponível x capacidade instalada Tecnologicamente o desenvolvimento de equipamentos que são usados para a transformação da energia eólica em energia elétrica ou mecânica em alguns casos estão intimamente ligado ao desenvolvimento da ciência dos materiais como veremos mais adiante Os danos ambientais existentes são relativamente menores que outros métodos de transformação mas precisam ser minuciosamente avaliado principalmente devido aos locais onde a aplicação será realizada Fundação Oswaldo Aranha 3 Tipos de Turbinas Eólicas Eixo Verticais Captam a energia sem precisar mudar a posição do rotor com a posição dos ventos Os principais tipos são Darrieus Savonius e turbinas vórtices Os mais aplicados destes são os Darrieus em sistemas até 50 kW Imagens obtidas da Internet Fundação Oswaldo Aranha Eixo Horizontal mais comuns A seção varrida pelas pás precisa estar sempre perpendicular ao vento Possui duas ou mais pás dependendo da sua aplicação a O rotor do tipo Holandês de quatro pás era utilizado para bombear água e produzir farinha mas tinha uma baixa eficiência 7 Não era usada para a conversão de energia elétrica Imagens obtidas da Internet Fundação Oswaldo Aranha b O tipo Americano de múltiplas pás ainda está em uso para o bombeamento de água mas gera apenas algo em torno de 4 hp 3 kW com ventos de 15 mph Imagens obtidas da Internet Fundação Oswaldo Aranha c O propulsor de duas ou três lâminas é o mais eficiente destes tipos para a geração de eletricidade e é também o mais comum e mais eficiente por causa de seu tamanho Apesar de toda sua eficiência nem mesmo este modelo irá extrair toda a energia existente no vento Imagens obtidas da Internet Fundação Oswaldo Aranha 4 Resumo de Implementação de Sistemas Eólicos para geração de energia elétrica Avaliação do Local a ser implementado Avaliação econômica da Fonte Primária Avaliação do Sistema a ser utilizado tipo de turbina tamanho demais equipamentos altura etc Tecnologia a ser empregada Avaliação Sócio Ambiental do Sistema Meio Ambiente Pode ou não ser necessário EIA Transmissão é atividade que necessita EIA Fundação Oswaldo Aranha 5 Sistemas Eólicos Principais componentes Sistema Autônomo de Geração Figura a referência básica 02 Pás e Rotor Transmissão Sistema de Controle Conversor e Sistema de armazenamento Para os Sistemas Autônomos OBS O Uso de Baterias é empregados em sistemas autônomos residenciais já em sistemas interligados a rede o uso da bateria é apenas para o sistema de controle segurança Fundação Oswaldo Aranha Sistema Autônomo de Geração figura a referência básica 01 FIGURA 1217 Configurações de turbinas de vento de eixo horizontal e de eixo vertical Fundação Oswaldo Aranha 6 Sistemas Eólicos Transformação da energia A energia solar luminosa que chega a superfície da terra vai ser transformada em energia elétrica através da energia eólica após diversos processos naturais e tecnológicos Fonte Atlas Eólico do Estado do Rio de Janeiro Fundação Oswaldo Aranha 7 Sistemas Eólicos Classificação Tamanho altura e diâmetro das pás Potência Instalada nominal Aplicação para produção de Eletricidade atuação no sistema Fundação Oswaldo Aranha a Sistemas independentes ou isolados autônomos Sistema de pequeno porte até 80 kW e empregam algum tipo de armazenamento de energia baterias podendo ser hídrica neste caso o sistema de armazenamento de energia são responsáveis pelos maiores custos e pelos aspectos ambientais b Sistema de apoio híbrido O sistema eólico opera em paralelo a um sistema de geração de energia firme por exemplo o solar diesel hídrico etc Empregados em sistemas de potência de pequenos e médio porte c Sistema interligado a rede elétrica São sistemas de grande porte interligados a rede de distribuição de duas formas diretamente através de geradores de indução ou síncrono ou indiretamente através de inversores acoplados à geradores de corrente contínua Fundação Oswaldo Aranha A energia contida no vento encontrase na energia do movimento da massa de ar energia cinética assim a energia disponível em determinada massa de ar é dada por onde m é a massa de ar e v é o valor da velocidade desta massa de ar velocidade do vento Neste ponto há duas questões que se tornam importantes a como medir os valores da massa m e da velocidade v b Qual o comportamento da velocidade v com a altura h O valor da velocidade é medido instrumentalmente através de anemômetros Porém o valor da massa é não pode ser medido diretamente através de instrumento e o seu valor deverá ser obtido através de cálculos como veremos a seguir Mas antes vamos responder a pergunta b 2 2 EC 1 mv Fundação Oswaldo Aranha Comportamento da velocidade v com a Altura h Fundação Oswaldo Aranha Existem diversos métodos para estimar este comportamento no entanto por questão de tempo usaremos a equação que é dada na referência 2 onde V velocidade do vento na altura h desejada V0 velocidade do vento disponível na altura conhecida h0 h altura deseja h0 altura conhecida e n fator de rugosidade do terreno tabela 53 exercícios a qual é a velocidade do vento a 50 m de altura se a 2m de alturas medimos o valor de 5 ms e estamos em um terreno gramado b Faça uma figura esquemática tipo gráfico onde você consiga demonstrar o comportamento da velocidade do vento com a altura e ainda demonstrar este comportamento em função da característica do terreno n h h V V 0 0 Fundação Oswaldo Aranha Imagens da reportagem do Jornal O Globo Reportagem do Caderno Planeta Terra Abril 2011 Mesmo a geração eólica e a solar afetam o ambiente Consideradas duas das mais limpas fontes de energia disponíveis a força dos ventos e a luz solar não são totalmente livres de impactos ambientais alertam os especialistas O desenvolvimento da tecnologia e o consequente barateamento de seus custos no entanto está fazendo da energia eólica uma alternativa crescente tanto no Brasil quanto no resto do mundo Só no litoral da Região Nordeste o potencial de geração deste tipo chega a 75 mil MW conta Antenor Lopes de Jesus Filho técnico de Planejamento e Pesquisa do Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada Ipea e um dos autores de recente relatório da instituição sobre a sustentabilidade da geração de energia no país De acordo com dados da Agência Nacional de Energia Elétrica Aneel estão em operação no Brasil 51 empreendimentos eólicos que geram pouco menos de 1 mil MW em 1 da energia do país Nos próximos anos porém estão previstas mais 125 fazendas de vento com um total de quase 4 mil MW A prova final da viabilidade comercial deste tipo de geração veio no último leilão de energia promovido pela Aneel em que as geradoras eólicas ofereceram um preço médio de R 13086 por MW menos do que os térmicas a biomassa R 14420 e as pequenas centrais hidrelétricas R 14193 O entusiasmo é tanto que a distribuidora paulista CPFL Energia acaba de investir mais de R 15 bilhão na compra da Janus maior operadora eólica do país com parques e projetos no Ceará e Rio Grande do Norte No Nordeste onde há menos opções a geração eólica tem uma boa complementação de carga média anais porque custa ventar mais quando o clima está seco e afeta o funcionamento das hidrelétricas diz Roberto Schaeffer de Coppe Aproveitar a força do vento porém pode produzir impactos ambientais não previstos como a alteração das condições de microclimas das regiões que recebem os parques geradores Outro risco envolve a colisão de pássaros com as turbinas Em geral ele é muito pequeno mas há casos como os das usinas de Tarifa na Espanha e Altamonte e Solano na Califórnia em que os moinhos foram instalados justamente na rota de migração de aves Tarifa ou nas áreas em que várias espécies costumam caçar Califórnia fazendo com que os acidentes sejam frequentes Já a energia solar ainda enfrenta problemas de viabilidade econômica As células fotovoltaicas ainda são muito pouco eficientes na conversão da radiação solar em eletricidade entre 12 e 15 e sua fabricação muito custosa demandando ainda grande quantidade de energia Até recentemente gastavase mais energia para fabricar uma dessas células do que a que ela conseguiria gerar em toda sua vida útil lembra Luís Guilherme Rolim professor de Engenharia Elétrica da Coppe Fundação Oswaldo Aranha Potência e Energia disponível no vento A potência disponível Pd total contida em uma massa m de ar com velocidade v atravessando uma área A varrida pelas pás do aerogerador pode ser calculada por A potência disponível Pd é a potência total que está cortando a área A varrida pelo aerogerador Ela é proporcional a área A e ao cubo da velocidade do vento v3 Ou seja qualquer pequena alteração na velocidade será responsável por um aumento relativamente grande na potência A potência disponível não é ainda a potência elétrica gerada pois ainda precisamos aplicar a eficiência rendimento do aerogerador A Área varrida pelas pás Massa de ar cortando a área A varrida pelas pás Possui uma energia cinética Ec e uma potência disponível Pd 2 1 2 1 2 1 2 1 3 2 2 2 W A v A v v P tempo v Volume tempo v m tempo E P ar ar d ar C d Fundação Oswaldo Aranha B A M r G Rendimento do Aerogerador O rendimento do aerogerador é formado pela multiplicação dos seguintes rendimentos Onde Eficiência teórica de Betz máxima eficiência que se consegue extrair do vento 60 Rendimento aerodinâmico das pás Rendimento do multiplicador de velocidade caso exista Rendimento do rotor Rendimento do gerador Escolha de um Rotor A configuração geral de um sistema eólico determinada pelo tipo de aplicação e potência indicará o rotor e o gerador ideais cujo rendimento vai ser fornecido pelo fabricante Para escolha de um rotor é necessário conhecer suas características aerodinâmicas São elas G r M A B Fundação Oswaldo Aranha A Área frontal A é a área varrida pelas pás m2 B Solidez λ É a razão de áreas Sendo a razão entre a área sólida das pás apenas um dos lados e a área frontal Alto valor de solidez significa muitas pás ou pás largas isso vai levar a uma diminuição na velocidade tangencial das pás C Razão de velocidade RV é a razão entre a velocidade tangencial na ponta da pá pela velocidade do vento RV alto significa rotores de alta velocidade isto é funcionam em alta rotação D Potencia do rotor PR é a parcela da potência disponível no vento captada pelo rotor eólico W ou kW E Coeficiente de Potência CP Expressa a porcentagem da Pd que realmente é aproveitada no eixo do rotor número de rotações do rotor por segundo N v D N RV d r A B R P P A B CP Fundação Oswaldo Aranha A figura a seguir mostra graficamente a relação de RV e CP para escolha do rotor a ser empregado em um sistema eólico