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Energia Eléctrica Eólica em Larga-Escala



A velocidade do vento é normalmente medida em nós.
Cada nó equivale a 1852 Km/h.
Os fabricantes de turbinas eólicas quantificam-nas em m/s.
A maioria das grandes turbinas são construídas para operar a velocidades de vento de 3 a 4 m/s até 20 a 25 m/s, o que corresponde a desde uma ligeira brisa até um vento que nos impede de andar se formos contra ele.
Dentro desta gama de velocidades de vento, uma grande turbina pode gerar desde alguns kW até alguns MW, dependendo do comprimento das suas pás/lâminas, da velocidade do vento e do tamanho do gerador.
O factor de capacidade da energia eólica – a percentagem de tempo que este tipo de gerador pode funcionar, é de aproximadamente 25 a 40%, dependendo da localização geográfica e do desenho da turbina.
Os melhores locais são frequentemente muito longe das zonas populacionais, o que torna necessário o uso de longas linhas de transmissão para levar a energia eléctrica aos consumidores.

Considerações Acerca do Projecto

As grandes turbinas eólicas precisam de torres altas e fortes como suporte.
Uma turbina eólica típica mede entre 50 e 80 m e é fixada no chão por cimento armado.
As lâminas variam entre 25 a 40 m de comprimento.
A maioria das grandes turbinas tem 3 lâminas.
O diâmetro rotacional é igual a duas vezes o comprimento das lâminas.
O rolamento das lâminas, o gerador eléctrico e o aparelho de refrigeração estão contidos num compartimento chamado carlinga.
O sistema é desenhado para rodar a uma velocidade angular constante (aproximadamente 20 rotações por minuto - rpm) qualquer que seja a velocidade do vento.
Alterações na velocidade do vento originam variações na quantidade de energia entregue mas não na velocidade das lâminas.
Uma caixa de velocidades transforma a velocidade angular da lâminas na velocidade angular apropriada para o gerador produzir AC a uma frequência constante de 50Hz.

De modo a funcionar bem, uma turbina eólica de grandes dimensões tem de ser orientada de forma a que as suas lâminas rodem em torno de um eixo que aponta na direcção do vento.
Isto significa que o plano definido pelas lâminas rotativas tem de ser perpendicular à direcção do vento.
Para se poder orientar de forma automática, todo o conjunto (turbinas e carlinga) são capazes de rodar 360º na horizontal.
A direcção do vento e a sua velocidade são detectados por um cata-vento e um anemómetro.
Se o vento estiver muito forte, um sistema pára as lâminas e coloca-as no seu lugar, e um motor giratório roda aproximadamente 90º de forma a que o conjunto sofra o menos possível a carga do vento.
Na maioria das grandes turbinas eólicas, o rotor das turbinas está no lado barlavento da carlinga, como mostrado na figura A seguinte. Este sistema tem o nome de design upwind.
Em algumas turbinas o rotor das lâminas está do lado sotavento da carlinga, sendo esse sistema conhecido por design downwind.
Os peritos continuam presentemente a sua discussão sobre qual o melhor modelo.





Vantagens da Produção Eólica em Larga-Escala

- O vento é um recurso energético praticamente infinito
- Não produzem CO2, CO, NO8, SO8, partículas, contaminação dos solos, ou resíduos perigosos
- Uma vez instalada, uma grande turbina é muito fácil e barata de manter
- Este tipo de centrais pode reduzir a dependência dos combustíveis fósseis, hidroeléctricas e nuclear para a produção de energia eléctrica.
- As grandes turbinas eólicas podem ser dispersas por vastas regiões. Isso distribui a energia e poderá ajudar à obtenção de uma rede eléctrica tolerante a falhas
- A energia eléctrica obtida do vento pode ser usada para suplementar os outros modos de geração, o que torna a nação menos dependente de apenas uma fonte de energia, através da diversificação
- Mesmo as grandes turbinas ocupam pouco terreno, pelo que as actividades normais podem continuar a ser aí praticadas

Limitações da Energia Eléctrica Eólica em Larga-Escala

- O vento é uma fonte de energia intermitente. O factor de capacidade é menor do que o de todas as outras fontes de energia
- Uma turbina grande corre o risco de ser destruída ou danificada por tempestades
- Algumas pessoas não gostam da aparência física das grandes turbinas eólicas
- A energia eléctrica obtida a partir do vento, por si própria, não consegue satisfazer as necessidades totais de uma cidade ou país. Funciona pois como suplemento, usada em conjunto com combustíveis fósseis, fissão nuclear, e hidroeléctricas
- As localizações com vento consistente e utilizável ficam, frequentemente, muito afastadas dos centros populacionais, o que obriga à utilização de linhas de transmissão muito longas

Problema
Porque não é a energia eólica mais explorada?
Solução
Em teoria poderia ser. Há muitos locais onde o vento sopra a velocidades óptimas para operar as turbinas eólicas. O problema é encontrar uma maneira eficiente de transportar a electricidade produzida para os consumidores finais. Invariavelmente, muitos consumidores estarão demasiado longe dos locais de produção o que inviabiliza uma transmissão eficiente até eles. A tecnologia ainda não o permite sem grandes perdas.

Energia Eléctrica a partir do Vento em Pequena-Escala

O termo pequena-escala aplica-se a turbinas eólicas que podem gerar até 20kW de electricidade sob condições ideais, o suficiente para alimentar uma habitação.
Como o vento é intermitente, para obter um fornecimento contínuo de electricidade, é preciso usar baterias recarregáveis ou uma interligação com a rede eléctrica da companhia, ou ambas.

Como Funciona

A maioria das pequenas turbinas são direccionadas por um cata-vento fixado na carlinga, em vez de rodarem através do efeito de um motor eléctrico, como as grandes. O cata-vento funciona da mesma maneira que um cata-vento daqueles tradicionais. Quando o vento é suficientemente forte para operar a turbina, o cata-vento orienta-se para o lado contrário do vento e todo o conjunto parece-se com um avião a jacto sem as asas.
Em condições de operação normais, o plano definido pelas lâminas rotativas está virado para o vento.
Num sistema de pequena escala, a velocidade de rotação das lâminas varia conforme a velocidade do vento.
Isto origina a produção de uma tensão AC de frequência variável pelo gerador.
Então essa AC é convertida para DC por um circuito rectificador, e esta DC é utilizada para carregar um conjunto de baterias.
A electricidade para utilização em casa é retirada directamente destas baterias, no caso de aparelho de corrente contínua, ou é de novo transformada em AC por um inversor de potência.

Sistema Autónomo

Emprega baterias recarregáveis para armazenar a energia eléctrica fornecida pela saída do rectificador.
O uso de baterias permite que o sistema produza energia utilizável mesmo quando não há vento ou ele não é suficiente para pôr a turbina a operar.
Um sistema autónomo oferece pois independência da companhia de electricidade.
Todavia, se o sistema falhar ou não houver vento por algum tempo e as baterias descarregarem, ficaremos sem energia eléctrica.
Este tipo de sistema é geralmente projectado para uma única habitação.



Sistemas Interactivos com Baterias

Neste caso, se houver um período longo sem vento, a companhia de electricidade pode recarregar as baterias e assim prevenir a falta de energia eléctrica.
O sistema tem um comutador, que em conjunto com um detector de nível de carga de baterias, liga as baterias à rede eléctrica da companhia para que sejam carregadas.
Quando as condições de vento voltarem a ser favoráveis e a turbina fornecer novamente energia eléctrica, o comutador desliga as baterias da rede eléctrica da companhia e liga-as ao gerador e rectificador acoplados à turbina.



Sistema Interactivo Sem Baterias

Este sistema opera sempre em conjugação com a rede eléctrica da companhia.
Energia eléctrica é vendida à companhia quando o sistema estiver a produzir mais do que precisamos e podemos também comprar à companhia quando as nossas necessidades superam o que o sistema pode fornecer.
A vantagem deste sistema é que quando as condições de vento ficam desfavoráveis por um período prolongado podemos continuar a usar a energia eléctrica.
Outra vantagem é que, como não são usadas baterias, o sistema pode ser maior.
De realçar que este tipo de sistema é projectado para trabalhar em conjugação com a rede da companhia de electricidade, não oferecendo pois independência, pelo que pode não agradar muito aos puristas de energias renováveis.



Vantagens de um Sistema de Energia Eléctrica a partir do Vento, de Pequena Escala

- O vento é uma fonte de energia renovável, e a sua disponibilidade é praticamente ilimitada
- Não produzem CO2, CO, NO8, SO8, partículas, contaminação dos solos, ou resíduos perigosos
- Uma vez instalados, uma turbina de pequenas dimensões é de muito fácil e barata manutenção
- Quando usado num sistema interactivo, consegue reduzir a dependência da companhia fornecedora de electricidade
- Quando usada em conjugação com outras fontes de energia s alternativas, podem fornecer independência total da rede eléctrica das companhias fornecedoras

Limitações de um Sistema de Energia Eléctrica a partir do Vento, de Pequena Escala

- O vento é uma fonte de energia intermitente
- As turbinas pequenas não funcionam adequadamente se o vento for muito forte
- Uma turbina pequena pode ser destruída ou danificada por uma tempestade
- Um sistema deste tipo demora muito tempo a pagar-se a si próprio
- Alguns vizinhos podem não gostar de ter uma turbina por perto: é o fenómeno conhecido por “não no meu quintal” (NNMQ)

Problema
Que factores afectam a quantidade de electricidade que pode ser originada pelo vento?
Solução
A potência disponível P, em watts, a partir do vento depende da densidade do ar, da área definida pelas lâminas da turbina à medida que rodam, e da velocidade do vento.
Se d for a densidade do ar em Kg por m3, A a área em m2 varrida pelas lâminas num plano perpendicular ao vento, e v for a velocidade do vento em m/s, então:

P = dAv^3/2