Energia eolica

Energia eolica

(Parte 1 de 5)

Universidade Santa Cecília PROJETO DE GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA

Projeto de Graduação do

Mecânica

Curso de Engenharia Industrial

Alison Alves dos Santos Daniel Silva Ramos Nilson Tadeu Fernandes dos Santos Pedro Porto de Oliveira

Agradecimentos

Prof.º Valmir Demarchi Prof.º Carlos Alberto Amaral Moino

1) Introdução01
1.1) Objetivos01
1.2) Introdução a Energia Eólica01
1.3) Energia renovável02
1.4) Origens históricas03
2) Energia Eólica no Brasil06
2.1) Potencial Eólico brasileiro07
2.2) Aproveitamento da energia eólica no Brasil09
2.3) Projetos de energia eólica no Brasil10
2.4) O custo da energia eólica no Brasil1
3) Ventos13
3.1) Tipos de Ventos13
3.1.1) Ventos globais13
3.1.2) Ventos de Superfície14
3.1.3) Ventos locais14
3.2) Fatores que influenciam a energia proveniente do vento16
3.2.1) Densidade do ar16
3.2.2) Área de varrimento do rotor16
3.4) Armazenamento de Energia18
4) Funcionamento19
4.1) Sistemas de Energia eólica19
4.2) Aplicações do sistema Eólico2
4.3) Sistemas Isolados23
4.4) Sistemas Híbridos23
4.5) Sistemas Interligados à Rede24
4.6) Relação entre velocidade do vento e altura24
4.7) Circulação global do vento26
4.8) Turbina de vento26
4.9) Geradores29
4.10) Rotor31
4.10.1) Rotores de Eixo Horizontal31
4.10.2) Rotores de Eixo Vertical32
4.1) Transmissão e Caixa Multiplicadora32
4.12) Mecanismos de Controle3
4.13) Controle de Passo34
5.1) Recursos Energéticos e Meio Ambiente38
5.2) Impactos Socioambientais38
6) Aerogerador com rotor Savonius42
6.1) Rotor de Eixo Vertical42
6.2) Origens do rotor Savonius43
6.3) Características do rotor Savonius4
6.4) Exemplos de poder disponível de Rotores Savonius49
7) Construção de uma Unidade Eólica Savonius5
7.1) Objetivos5
7.2) Montagem do Aerogerador Savonius57
8) Conclusão64

Índice de Figuras

1.1) As forças aerodinâmicas42

1) Introdução

2.1) Aerogeradores construídos na cidade de Taíba no Ceará7
2.2) Caracterização dos recursos eólicos no território brasileiro8
2.3) Principais cidades com projetos para instalação de usinas eólicas1

2) Energia Eólica no Brasil

3.1) Brisas Marinhas ao dia15
3.2) Brisas Marinhas a noite15

3) Ventos

4.1) Exemplo de uma instalação eólica19
4.2) Diversas partes constituintes de um rotor de sistema eólico2
4.3) Diferentes ares e relação entre suas alturas e velocidades de ventos25
4.4) Turbina Savonius de eixo vertical27
4.5) Turbina Darrieus de eixo vertical27
4.6) Turbina Darrieus de eixo vertical e pá reta28
4.9) Fluxo separado (estol) em volta do perfil36
5.1) Aerogerador de múltiplas pás39
5.2) Aerogerador de hélice de alta velocidade39
5.3) Impacto visual de uma Estação Eólica40
5.4) Agrupamento de aerogeradores sobre água41

5) Meio Ambiente

6.1) Perfil da hélice de um rotor do tipo savonius42
6.2) Unidade eólica com rotor savonius de fazenda43
6.3) Pás com perfil de pá semicircular com fixação45
6.4) Perfil de pá semicircular com passagem de ar45
6.5) Perfil de pá com aletas 4545
6.6) Unidade Eólica Caseira47
6.7) Foto de um Aerogerador Savonius na Inglaterra48
6.8) Aerogerador Savonius no Japão48
6.9) Coeficientes de Potência para várias configurações de rotores49
6.10) Gráfico de Energia de entrada em função da velocidade do vento51

6) Aerogerador com rotor Savonius 6.1) Gráfico de energia de entrada em função da velocidade do vento ................ 52

7.1) Projeto de uma mini unidade eólica (Savonius)56
7.2) Foto de um Mini aerogerador eólico Savonius57
7.3) Foto do rolamento posicionado no respectivo manca l59
7.4) Foto da estrutura do aerogerador Savonius60
7.5) Foto dos tambores cortados (pás)60
7.6) Foto dos tambores Fixos no Eixo Vertical do rotor Savonius61

1)Introdução

1.1) Objetivos

Este trabalho tem como objetivo a análise do aproveitamento da energia eólica, que como todas as demais energias possuem certas vantagens e desvantagens; o que a faz diferente não é só um fato ou outro, é o conjunto como um todo. Além de esta ser uma fonte de energia renovável, ela pode ser utilizada para o fornecimento de energia para pequenas populações onde não há um acesso de energia direto e também não necessita de grandes investimentos.

O aproveitamento deste tipo de energia decorrente dos avanços tecnológicos do setor contribuiu bastante para a definição deste tema como um trabalho de estudo em fase do término do curso de graduação de Engenharia. Com isso, o foco desse projeto é ressaltar a importância do uso da energia renovável neste início do século XXI e demonstrar o diferencial da energia proveniente dos ventos.

1.2) Introdução a Energia Eólica

Um dos grandes tormentos do mundo de hoje é a questão relativa à energia: o aproveitamento desta ainda não atingiu um nível satisfatório, visto que a imensa maioria da energia utilizada no planeta é de origem não renovável, seja de fonte mineral ou atômica.

Atualmente, quando falamos em geração de energia, em qualquer parte do mundo a primeira visão que se tem é a de maior distribuição possível juntamente com a maior economia envolvida. Esses foram os principais fatores que nos levaram a desenvolver um trabalho relacionado à energia renovável. E, através desse conhecimento aponta-se a energia eólica como um tipo de energia bem diferenciado dos demais e que vem indicando resultados significativos de crescimento tanto em países desenvolvidos como em países emergentes.

Esta última vantagem pode ser explorada por pessoas que queiram montar um módulo de energia próprio ao redor de suas casas e não precisar mais se filiar às empresas. Mas claro também há desvantagens que devem ser levadas em conta, como o barulho provocado, que não é muito elevado se o módulo for freqüentemente monitorado, a área ocupada que deve ser específica (sem muitas elevações e habitações por perto), e principalmente que hoje como esta tecnologia ainda não está totalmente desenvolvida e o seu custo ainda é um pouco elevado, de modo que é muito difícil uma população ter o seu próprio fornecimento de energia elétrica gerada por meios eólicos e também que seu aproveitamento ainda não é satisfatoriamente elevado, entretanto esses fatores podem ser superados com o desenvolvimento desta tecnologia.[1]

1.3) Energia renovável

Para esclarecimentos sobre os tipos de energias que dispomos atualmente, as mesmas são divididas basicamente em dois tipos de acordo com as suas fontes.

Uma delas é a energia de fonte não-renovável onde se pode dizer que são aquelas que se encontram na natureza em quantidades limitadas e se extinguem com a sua utilização como, por exemplo, os combustíveis fósseis (carvão, petróleo bruto e gás natural) e o urânio, que é a matéria-prima necessária para obter a energia resultante do processo de fusão nuclear.

O outro tipo de energia utilizada em larga escala é a energia renovável onde não é possível estabelecer um fim temporal para a sua utilização como, por exemplo, o calor emitido pelo sol, a existência do vento, das marés ou dos cursos de água sendo assim consideradas, justamente, inesgotáveis, mas limitadas em termos da quantidade de energia que é possível extrair em cada momento.

Para justificar o desenvolvimento de energias do tipo “renováveis” podemos analisar, primeiramente, a atual dependência que temos de recursos energéticos não-renováveis que pela estimativa se pode prever a futura escassez que haverá dos mesmos. Outro fator importante é a busca permanente de novas opções tecnológicas energéticas que não geram degradação da atmosfera, do solo, de recursos hídricos e do meio ambiente de uma maneira geral, sempre levando em conta as fontes de energia intermináveis que temos no planeta. [9]

Apesar desses fatores, as fontes de energia renováveis ainda são pouco utilizadas devido aos custos de instalação, à inexistência de tecnologias e redes de distribuição experimentadas e, em geral, ao desconhecimento e falta de sensibilização para o assunto por parte dos consumidores e dos municípios.

Ao ritmo que cresce o consumo dos combustíveis fósseis, e tendo em conta que se prevê um aumento ainda maior em médio prazo, colocam-se dois importantes problemas: o primeiro são questões de ordem ambiental que se destacam mais detalhadamente a seguir e o segundo é o fato dos recursos energéticos fósseis serem esgotáveis. As fontes de energias renováveis surgem como uma alternativa ou complemento às convencionais. [4]

1.4) Origens Históricas

É impossível apontar o preciso momento na história em que foi descoberta ou desenvolvida a energia proveniente dos ventos. Mas é possível analisar e relacionar alguns períodos de maior incidência do uso desta energia.

Os princípios de estudos científicos são relacionados com a tentativa de entender o meio ambiente; infelizmente, na época, os homens não eram incentivados para a autocrítica e não praticavam a experimentação.

Acredita-se que foram os egípcios os primeiros a fazer uso prático do vento. Em torno do ano 2800 a.C. eles começaram a usar velas para ajudar a força dos remos dos escravos. Eventualmente, as velas ajudavam o trabalho da força animal em tarefas como moagem de grãos e bombeamento de água. [2]

Os persas começaram a usar a força do vento poucos séculos antes de Cristo, e por volta de 700 d.C. eles estavam construindo moinhos de vento verticais elevados para serem usados como força nas mós, na moagem de grãos. [2]

Outras civilizações do oriente médio, mais notavelmente os muçulmanos, continuaram onde persas deixaram e construíram seus próprios moinhos de vento. Com o retorno das cruzadas, pensou-se que eles tinham trazido idéias sobre moinhos de vento e desenhos para a Europa, mas provavelmente foram os holandeses que desenvolveram o moinho de vento horizontal, com hélices, comuns nos campos dos holandeses e ingleses.

As forças do vento e da água logo se tornaram a fonte primária da energia mecânica medieval inglesa. Durante esse período, os holandeses contaram com a força do vento para bombeamento de água, moagem de grãos e operações de serraria.

Os primeiros moinhos de vento nas novas colônias inglesas eram duplicatas das máquinas inglesas. Muitos dos desenhos melhorados na Holanda eram virtualmente ignorados. Por volta de 1850, Daniel Halliday começou a desenvolver o famoso moinho de vento americano de fazenda. Usado principalmente para bombear água, essa máquina é o familiar moinho de vento multi-lâmina, ainda visto hoje em muitas áreas rurais. Mesmo hoje, as fazendas de gado, não seriam possíveis em muitas partes da América e Europa sem essa máquina. [2]

A geração de eletricidade pelo vento começou em torno do início do século, com alguns dos primeiros desenvolvimentos creditados aos dinamarqueses. Pelo ano de 1930, cerca de uma dúzia de firmas americanas estavam fazendo e vendendo esses "carregadores de vento", na maior parte aos fazendeiros do ventoso Great Plains. Tipicamente, essas máquinas poderiam fornecer até 1000 Watts de potência quando o vento estivesse soprando. [2]

Muitos países europeus construíram enormes geradores de vento. Durante os anos 1950 e 1960, os franceses construíram desenhos avançados de unidades de 100 kW a 300 kW. Os alemães construíram geradores de vento para prover força extra para sua linha de utilidades, mas por causa da rígida competição dos geradores de fluído fóssil, essas máquinas experimentais foram eventualmente descartadas.[2]

Uma das mais memoráveis máquinas de vento, foi a máquina de Smith-Putman, construída perto de Rutland, Vermont- USA, durante os anos 1940. Esta enorme máquina com lâminas de 50 m, foi desenhada para fornecer 1250 kW, para a malha de forças de Vermont.

2) Energia Eólica no Brasil

Atualmente, na grande maioria dos casos, a utilização da energia eólica ocorre com a finalidade de gerar energia elétrica para, possivelmente, bombear água, aquecer ambientes, ligar máquinas diversas, moer grãos, usos domésticos ou de pequenas empresas, entre outros. Isso ocorre pelo fato da eletricidade ser uma forma muito cômoda e usual de distribuição de energia [8]. O Brasil é hoje o 12º maior consumidor de energia do mundo, com um nível de consumo equiparado ao da Itália e da Espanha.

No País, embora o aproveitamento dos recursos eólicos tenha sido feito tradicionalmente com a utilização de cata-ventos multipás para bombeamento de água, algumas medidas precisas de vento, realizadas recentemente em diversos pontos do território nacional, indicam a existência de um imenso potencial de energia eólica ainda não explorado.

Grande atenção tem sido dirigida para o estado do Ceará, por ter sido um dos primeiros locais a realizar um programa de levantamento do potencial de energia eólica através de medidas de vento com modernos sensores especiais. Entretanto, não foi apenas na costa do Nordeste que áreas de grande potencial eólico foram identificadas. Em Minas Gerais, por exemplo, uma central de energia eólica está em funcionamento, desde 1994, em um local (afastado mais de 1000 km da costa), com excelentes condições de vento.

A capacidade instalada no Brasil está acima de 20 MW, com turbinas eólicas de médios e grandes portes conectadas à rede elétrica. Além disso, existem dezenas de turbinas eólicas de pequeno porte funcionando em locais isolados da rede convencional para aplicações diversas, tais como bombeamento, carregamento de baterias, telecomunicações e eletrificação rural.[5]

No Brasil podemos destacar a usina energia eólica de Taíba, no Ceará - a primeira do mundo construída sobre dunas de areia. A capacidade instalada do complexo, inaugurado em 1999, é de 5 MW , como pode ser observado na figura 2.1.

Figura 2.1 – Aerogeradores construídos sobre dunas de areia na cidade de Taíba no Ceará.[6]

2.1) Potencial Eólico brasileiro

A avaliação precisa do potencial de vento em uma região é o primeiro e fundamental passo para o aproveitamento do recurso eólico como fonte de energia.

No Brasil, assim como em várias partes do mundo, quase não existem dados de vento com qualidade para uma avaliação do potencial eólico. Os primeiros sensores especiais para energia eólica foram instalados no Ceará e em Fernando de Noronha, no estado de Pernambuco, apenas no início dos anos 90. Os bons resultados obtidos com aquelas medições favoreceram a determinação precisa do potencial de energia eólica daqueles locais e a instalação de aerogeradores.Vários estados brasileiros seguiram os passos de Ceará e Pernambuco e iniciaram programas de levantamento de dados de vento.[5]

A análise dos dados de vento de vários locais no Nordeste confirmou as características dos existentes na região, velocidades médias de vento altas, pouca variação nas direções do vento e pouca turbulência durante todo o ano. Diante da importância da caracterização dos recursos eólicos no Brasil, foi lançado o atlas eólico brasileiro, como pode ser visto na figura 2.2. Este atlas tem como objetivo principal desenvolver modelos atmosféricos, analisar dados de ventos e elaborar mapas eólicos. Atualmente podem ser destacados alguns projetos implementados no Brasil como pode ser observado na tabela 2.1.[5]

Tabela 2.1- Projetos de geração de energia eólica Implementados no Brasil.

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