TURBINA EÓLICA PARA INSTALAÇÃO RESIDENCIAL
Acadêmicas:Priscilla Mendes Bressan e Tatiana Faust Becke
INTRODUÇÃO
Uma das maiores preocupações no século atual são com a escassez de nossas reservas naturais de combustíveis fósseis, aquelas que são chamadas de fontes de energias não renováveis, como por exemplo, carvão mineral, gasolina, óleo diesel e gás natural. Mas temos como contrapartida os estudos e desenvolvimento científico e tecnológico para proporcionar um grande aumento da utilização de fontes de energias renováveis, como energia eólica, solar, biomassa, entre outras.
Com base nos fatos atuais da situação energética mundial, tem-se a alternativa de estar construindo uma pequena turbina eólica para instalações residenciais ou comerciais de pequeno porte.
Segundo o Centro Brasileiro de Energia Eólica, existem atualmente mais de 30.000 turbinas eólicas em operação no mundo, totalizando 13.500 MW de capacidade instalada.
DESENVOLVIMENTO
Turbinas eólicas
As turbinas podem ser classificadas em horizontais ou verticais.
As turbinas verticais tem a principal vantagem de independer da direção do vento, mas apesar disso as horizontais estão dominando o mercado de turbinas eólicas para geração de energia.
O princípio de funcionado é o mesmo das turbinas hidráulicas. As diferenças são o fluído de trabalho, ar ao invés da água, e a natureza de fluxo externo ao invés de interno.
Turbina Horizontal Turbina Vertical
ANÁLISE DAS TURBINAS HORIZONTAIS
A análise das turbinas eólicas é complexa porque envolve aerodinâmica e mecânica dos fluidos.
Contudo, os conceitos básicos podem ser obtidos a partir de simplificações na análise.
A energia contida no vento horizontal é basicamente sua energia cinética, uma vez que não há variação de pressão nem variação de altitude, conforme a seguinte expressão:
• E é a energia;
• m é a massa;
• v é a velocidade.
A expressão é extremamente simples e conhecida mas, ao tentarmos aplicá-la, surgem as algumas dificuldades:
Qual a velocidade e qual a massa a serem consideradas?
A figura abaixo apresenta uma primeira aproximação para o fluxo de ar através de um rotor de uma turbina eólica, onde:
• V∞ é a velocidade do vento muito antes de sofrer influência do rotor;
• p∞ á a pressão do ar sem sofrer influência do rotor;
• Ve é a velocidade do vento na esteira do rotor;
Considerando a lei da conservação da energia, a energia retirada do vento provocará uma redução na energia contida no vento após a turbina.
Isto implica na redução da velocidade do vento após o rotor e esta velocidade foi chamada de Vw. Esta velocidade está representada distante do rotor porque a presença do mesmo provoca complexas alterações no fluxo de ar.
Quanto menor for esta velocidade, maior será a energia retirada do vento e maior será o impacto ambiental.
A questão da massa a ser considerada é mais complexa.
Uma primeira aproximação é considerar apenas a massa de ar que atravessa o rotor. Desta forma, considera-se apenas a massa de ar contida no tubo fictício, apresentado na Figura anterior.
Isto significa que não existe fluxo de ar para dentro ou para fora deste duto imaginário e, conseqüentemente, a conservação de massa á aplicável a todo o duto conforme a expressão abaixo:
• ρ é a densidade do ar ;
• A é a área;
• V é a velocidade.
A velocidade no disco da turbina está relacionada com a velocidade do vento a montante através do fator de indução de fluxo axial - a - da seguinte maneira:
Aplicando esta relação na equação de conservação de massa, teremos que:
A redução da velocidade do vento representa uma variação de momento no fluxo de ar, que é causada pela força exercida pela variação de pressão no rotor da turbina. Matematicamente, isto pode ser escrito da seguinte maneira:
Aplicando a equação de Bernoulli às duas seções do tubo fictício, teremos que:
Considerando o fluido incompressível e o sistema horizontal, teremos que:
Subtraindo as equações acima, teremos que:
Conseqüentemente, a potência será dada por:
Esta expressão pode ser escrita da seguinte maneira:
• ρ é a densidade do ar;
• A é a área do rotor;
• V é a velocidade do vento;
• Cp é o coeficiente de potência.
O coeficiente de potência - Cp- é definido como sendo a potência extraída pelo rotor dividida pela potência existente no vento da seguinte maneira:
É importante observar que como a densidade do ar é 800 vezes menor do que a densidade da água, a potência de turbinas eólicas é muito menor do que a potência das turbinas hidráulicas.
O coeficiente de potência representa a fração máxima da energia contida no vento que pode ser extraída pela turbina e, combinando as expressões anteriores:
Substituindo este valor de a na equação, teremos que:
Isto significa que não é possível aproveitar mais do que 60% da potência existente no vento.
Além disso, para otimizarmos a potência eólica, é necessário operar a turbina com velocidade variável e proporcional à velocidade do vento.
A força exercida no rotor também pode ser normalizada considerando a energia do vento como base.
Desta maneira, definimos o coeficiente de torque -CT - de acordo com a seguinte expressão:
A Figura abaixo apresenta os coeficientes de torque e de potência em função de a.
A maneira como a energia do vento é transformada em energia mecânica depende do projeto específico da turbina eólica.
No entanto, a maioria das turbinas atuais, utiliza rotores com determinado número de pás que giram com velocidade angular - ω - paralela à direção do vento e ortogonal ao plano das pás.
As pás giram ao longo da área Ap e, devido ao seu projeto aerodinâmico, criam a diferença de pressão ao longo da área que é responsável pela redução do momento no fluxo do vento e pela conversão de energia da energia do vento em energia mecânica.
O eixo do rotor da turbina é acoplado a um gerador de energia elétrica que completa a conversão da energia mecânica em energia elétrica. Neste processo, o gerador gera um torque, em sentido contrário ao torque exercido pelo vento, que é proporcional à energia elétrica gerada. Em condições de equilíbrio, estes torques se igualam e a velocidade angular permanece constante.
A geração do torque no rotor pela passagem do vento produz um torque igual e contrário no ar. Isto significa que o ar, após o rotor da turbina, adquiri um momento angular com rotação contrária à rotação do rotor, que inexistia no vento a montante da turbina.
Esta variação de momento e velocidade angular representa um aumento na energia cinética, que é compensado pela queda de pressão no ar a jusante do rotor.
MODELO RESIDENCIAL
Na área do uso do vento para residências, o desconhecimento gera uma falta de interesse por parte da população em investir, na qual poderia suprir uma porcentagem da demanda de energia elétrica consumida.
A necessidade de vento no local da instalação é outro fator para a não exploração deste. Sendo assim, para implantação de um gerador residencial, deve ser realizado um estudo do comportamento do vento na região.
Segundo Appio (2001), estudos realizados em diversos pontos do país apontam um grande potencial eólico ainda não explorado.
A figura abaixo mostra um mapa do centro Brasileiro de Energia Eólica apontando as regiões brasileiras mais favoráveis para extração de energia dos ventos.
É possível observar que as regiões costeiras apresentam maior potencial e devem ser explorados.
Em um cenário bastante favorável, um modelo de aerogerador residencial de baixo custo, é possível incentivar uma mudança de mentalidade.
No contexto econômico, sabemos que o custo da energia elétrica não tem altas bruscas, mas uma alternativa que reduz o gasto na conta em mais de 50% precisa ser considerada.
No contexto social e ambiental, a distribuição dessa tecnologia mostra por si só as vantagens. A produção de energia eólica não gera poluição alguma, não gera emissão de gases, não gera resíduo, não é prejudicial às pessoas.
Na zona urbana existe o problema da física do entorno, entretanto o sistema poderá ser melhorado. O gerador pode ser instalado na estrutura da casa, ficando o rotor com as pás acima do telhado. Isso propicia maior segurança contra falhas e sua imagem pode gerar uma consciência ecologia na sociedade, pois se hoje são instaladas, nos telhados antenas, então um cata-vento que gera energia renovável não irá propiciar um impacto negativo.
CONCLUSÃO
As turbinas eólicas tendem a tornar-se cada vez mais presentes nas nossas vides, como fonte de energia renovável.
Estes equipamentos que outrora dependiam de produção manual, de tecidos, metais e tinham funcionamento restrito, hoje estão entre os mais visados quando o assunto é inovação tecnológica. São grandes os estudos de matérias primas e tecnologias que possam viabilizar cada vez mais a utilização destes equipamentos, seja por redução de custos ou por melhoria no funcionamento e rendimento.
REFERÊNCIAS
Artigo: PROJETO E CONSTRUÇÃO DE TURBINA EÓLICA PARA INSTALAÇÕES COMERCIAIS E RESIDENCIAIS (Fábio Luiz Argentino,Sergio Katsumi Beppu)
Artigo: GERADOR EÓLICO DE BAIXO CUSTO PARA USO RESIDENCIAL (Julio César Pinheiro Pires e Branca F. Oliveira)
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