Energia Eólica, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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Instituição: Nepam

Curso: Técnico em Mecânica Industrial

Turma: TMI

ALAN JHONES

CAIO SANTOS

HERMAN KLAUSS

IGOR ROBERTO

MAURICIO FERREIRA

A Energia Eólica .......................................................................

Trabalho de Gestão Ambiental oficial do curso de Mecânica Industrial apresentado no Nepam Como requisito de obtenção da 2º Avaliação, Sob orientação do Prof.ª Maikon Gomes

Ao professor Maikon Gomes

E a todos aqueles que diretamente contribuirão para o trabalho.

Sumário

1.Introdução .......................................................................

• 1.Introdução .......................................................................
• 2.Desenvolvimento .......................................................................
• A Energia Eólica .......................................................................
• Energia Eólica no Mundo .......................................................................
• Energia Eólica no Brasil .......................................................................
• Parques Eólicos Mundo .......................................................................
• Parques Eólicos Brasil .......................................................................
• A Primeira Turbina
• Economia .......................................................................
• Como ocorre .......................................................................
• Empuxo e Arrasto .......................................................................
• Aerodinâmica .......................................................................
• Tipos de Rotores .......................................................................
• Eixo Horizontal .......................................................................
• Componentes da TEEH .......................................................................
• Eixo Vertical .......................................................................
• Componentes da TEEV .......................................................................
• Vantagens .......................................................................
• Desvantagens .......................................................................
• Informações Adicionais .......................................................................
• 10.Conclusão .......................................................................
• 11.Referência .......................................................................

Desenvolvimento Toda a energia eólica começa com o sol. Quando o sol aquece uma determinada área de terra, o ar ao redor dessa massa de terra absorve parte desse calor. A uma certa temperatura, esse ar mais quente começa a se elevar muito rapidamente, pois um determinado volume de ar quente é mais leve do que um volume igual de ar mais frio. As partículas de ar que se movem mais rápido (mais quentes) exercem uma pressão maior do que as partículas que se movem mais devagar, de modo que são necessárias menos delas para manter a pressão normal do ar em uma determinada elevação.

Pode ser difícil considerá-lo assim, mas o ar é um fluido como qualquer outro, exceto que suas partículas estão na forma gasosa em vez de líquida. Quando o ar se move rapidamente, na forma de vento, essas partículas também movem-se rapidamente. Esse movimento significa energia cinética, que pode ser capturada como a energia da água em movimento é capturada por uma turbina em uma usina hidrelétrica.

Energia Eólica no Mundo .......................................................................

Até 2005 a Alemanha liderava o ranking dos países em produção de energia através de fonte eólica, mas em 2008 foi ultrapassada pelos EUA. Desde 2010, a China é o maior produtor de energia eólica. Em 2011 o total instalado nesse país ultrapassava os 62.000 MW (62 GW). Comparado com os 44.000 GW instalados até 2010, foi um aumento de 41%.

Esse aumento da participação da energia eólica no mundo está relacionado a diversos fatores. Entre eles está a necessidade de os países poderem contar com uma fonte de energia segura. Além disso, o seu custo de instalação está

diminuindo e ela é livre de emissão de CO2 e outros gases poluentes, além dos menores impactos sobre o meio ambiente.

Cenário atual: o crescimento do setor de energia eólica na China está sufocado por um acesso insuficiente aos grids de conexão, enquanto um cenário de desaceleração parece ter retornado aos EUA como resultado de incertezas sobre a expiração de programas de incentivo. Na Alemanha e na Itália, cortes de tarifa e desafios relacionados aos grids de conexão de energia têm reduzido a atratividade no curto prazo, enquanto o fim de um importante benefício fiscal na Índia deve prejudicar o crescimento do setor eólico neste ano. Por outro lado, diversos países, incluindo México e Chile, anunciaram novos objetivos em geração de energia limpa ou reafirmaram o apoio do governo por meio de incentivo. Apesar disso, a energia eólica instalada no mundo crescerá de modo significativo nas próximas décadas e será parte importante do portfólio de energia renovável de muitos países.

Energia Eólica no Brasil .......................................................................

No início da década de 2000, uma grande seca no Brasil diminuiu o nível de água nas barragens hidrelétricas do país, causando uma grave escassez de energia. A crise, que devastou a economia do país e levou ao racionamento de energia elétrica, ressaltou a necessidade urgente do país em diversificar suas fontes de energia.

O Brasil dispõe da hidroeletricidade para mais de ¾ de sua matriz energética, mas as autoridades estão incentivando as energias de biomassa e eólica como alternativas primárias. Segundo dados preliminares do Balanço Energético Nacional de 2012, realizado pela Empresa de Pesquisa Energética(EPE), em 2011 a participação de renováveis na Matriz Elétrica Brasileira ampliou-se para 88,8% devido às condições hidrológicas favoráveis e ao aumento da geração eólica.

Parques Eólicos Mundo .......................................................................

Um parque eólico ou usina eólica é um espaço, terrestre ou marítimo, onde estão concentrados vários aerogeradores destinados a transformar energia eólica em energia elétrica.

Segundo a Empresa de Pesquisa Energética (EPE), o Brasil vai adicionar em 2014 mais de 2 GW, elevando para 5 GW o total de capacidade instalada. Atualmente, o país tem cerca de 200 parques eólicos em operação.

Em relação ao potencial de geração de energia eólica, o país ocupava a 15ª posição em 2013 e deverá alcançar a 10ª este ano. Em 2015 deverá chegar à 7ª posição do ranking mundial.

ECONÔMIA

Os custos de produção e de instalação vêm baixando significativamente nos últimos tempos, viabilizando cada vez mais a utilização dessa fonte alternativa de energia. Admite-se que o preço do quilowatt-hora de energia elétrica de origem eólica possa baixar ao nível de 8 centavos de dólar, um valor extremamente competitivo, comparado com outras fontes energéticas. Como a produção de energia eólica é intermitente, pois o sistema só funciona quando o vento sopra, um problema a ser considerado é o da armazenagem dessa energia. No entanto, as novas gerações de baterias e acumuladores tendem a superar esse obstáculo.

A produção de energia eólica para obtenção de energia elétrica cresceu num ritmo acentuado na década de 1990 em todo o planeta. Por exemplo, a Espanha, que até 1993 produzia somente 51 MW de energia eólica, no final desse mesmo ano alcançou a marca de 2.235 MW, tornando-se o terceiro produtor mundial desse tipo de energia, perdendo apenas para a Alemanha e os Estados Unidos, respectivamente líder e vice-líder no setor. A perspectiva é de que até 2010 a energia eólica constitua 20% da produção energética espanhola, o que representa a possibilidade de fechamento de, pelo menos, nove usinas nucleares.

Como ocorre .......................................................................

No caso de uma turbina eólica , as pás da turbina são projetadas para capturar a energia cinética contida no vento. Quando as pás da turbina capturam a energia do vento e começam a se mover, elas giram um eixo que une o cubo do rotor a um gerador. O gerador transforma essa energia

rotacional em eletricidade. Fundamentalmente, gerar eletricidade a partir do vento é só uma questão de transferir energia de um meio para outro.

As turbinas eólicas ou aeromotores são grandes cataventos de eixo horizontal, que possuem um rotor, constituído de uma haste giratória e das pás metálicas, de um multiplicador de velocidade e de um gerador eólico, cujos componentes se movimentam produzindo a eletricidade. Para começar a funcionar, os ventos devem ter velocidade de no mínimo 3 m/s. Velocidades muito elevadas, por outro lado, podem danificar o equipamento.

Entretanto, é possível, por meio da angulação das pás girantes, adequar o catavento às condições de vento existentes, de modo a tirar o máximo proveito possível.

A Primeira turbina de energia eólica do Brasil foi instalada em Fernando de Noronha em 1992. Dez anos depois, o governo criou o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica(Proinfa) para incentivar a utilização de outras fontes renováveis, como eólica, biomassa e Pequenas Centrais Hidrelétricas(PCHs). O Brasil realizou o seu primeiro leilão de energia eólica em 2009, em um movimento para diversificar a sua matriz de energia.

O potencial de energia eólica no Brasil é mais intenso de junho a dezembro, coincidindo com os meses de menor intensidade de chuvas, ou seja, nos meses em que falta chuva é exatamente quando venta mais! Isso coloca o vento como uma grande fonte suplementar à energia gerada por hidrelétricas, a maior fonte de energia elétrica do país. Durante este período pode-se preservar as bacias hidrográficas fechando ou minimizando o uso das hidrelétricas. O melhor exemplo disto é na região do Rio São Francisco. Por essa razão, esse tipo de energia é excelente contra a baixa pluviosidade e a distribuição geográfica dos recursos hídricos existentes no país.

Ao contrário do antigo projeto de moinho de vento holandês, que dependia muito da força do vento para colocar as pás em movimento, as turbinas modernas usam princípios aerodinâmicos mais sofisticados para capturar a energia do vento com mais eficácia. As duas forças aerodinâmicas principais que atuam sobre os rotores da turbina eólica são o empuxo, que atua

da turbina são torcidas, de modo que elas possam sempre apresentar um ângulo que tire vantagem da relação ideal da força de empuxo/arrasto.

A

Aerodinâmica não é a única consideração de projeto em jogo na criação de uma turbina eólica eficaz. O tamanho importa: quanto maiores as pás da turbina (e, portanto, quanto maior o diâmetro do rotor), mais energia uma turbina pode capturar do vento e maior a capacidade de geração de energia elétrica. Falando de modo geral, dobrar o diâmetro do rotor quadruplica a produção de energia. Em alguns casos, entretanto, em uma área de menor velocidade do vento, um rotor de menor diâmetro pode acabar produzindo mais energia do que um rotor maior.

Isso ocorre porque uma estrutura menor consome menos energia do vento para girar o gerador menor, de modo que a turbina pode operar a plena capacidade quase o tempo todo. Quanto mais alta a turbina, mais energia ela pode capturar, visto que a velocidade do vento aumenta com a altura (o atrito com o solo e os objetos ao nível do solo interrompem o fluxo do vento). Os cientistas estimam um aumento de 12% na velocidade do vento cada vez que se dobra a elevação. Provavelmente, o sistema de segurança mais comumente ativado em uma turbina é o sistema de "frenagem", que é ativado por velocidades do vento acima do limite. Esse arranjo usa um sistema de controle de potência que, essencialmente, aciona os freios quando a velocidade do vento se eleva em demasia e depois "libera os freios" quando o vento diminui abaixo de 72 km/h.

Tipos de Rotores .......................................................................

O componente básico em qualquer equipamento eólico é o rotor. É ele quem efetivamente capta a energia do vento e a transforma em energia mecânica, através de um movimento rotativo.

No rotor são fixadas as pás da turbina. Todo o conjunto é conectado a um eixo que transmite a rotação das pás para o gerador, muitas vezes, através de uma caixa multiplicadora.

Quando se trata de turbinas eólicas modernas, há dois projetos principais: as

Eixo Horizontal .......................................................................

• Pás do rotor: capturam a energia do vento e a convertem em energia rotacional no eixo;
• Eixo: transfere a energia rotacional para o gerador;
• Caixa de engrenagens: aumenta a velocidade do eixo entre o cubo do rotor e o gerador;
• Gerador: usa a energia rotacional do eixo para gerar eletricidade usando eletromagnetismo;
• Equipamentos elétricos: transmitem a eletricidade do gerador através da torre e controlam os diversos elementos de segurança da turbina

Turbinas Eólicas de Eixo Horizontal (TEEH’s)

Como o nome indica, o eixo da TEEH é montado horizontalmente, paralelo ao solo. As TEEHs precisam se alinhar constantemente com o vento, usando um mecanismo de ajuste. O sistema de ajuste padrão consiste de

motores elétricos e caixas de engrenagens que movem todo o rotor para a esquerda ou direita em pequenos incrementos. O controlador eletrônico da turbina lê a posição de um dispositivo cata-vento (mecânico ou eletrônico) e ajusta a posição do rotor para capturar o máximo de energia eólica disponível. As TEEHs usam uma torre para elevar os componentes da turbina a uma altura ideal para a velocidade do vento (e para que as pás possam ficar longe do solo) e ocupam muito pouco espaço no solo, já que todos os componentes estão a até 80 metros de altura.

Componentes de uma grande TEEH:

• Pás do rotor: capturam a energia do vento e a convertem em energia rotacional no eixo;
• Eixo: transfere a energia rotacional para o gerador;
• Nacele: é a carcaça que abriga;
• Caixa de engrenagens: aumenta a velocidade do eixo entre o cubo do rotor e o gerador;
• Gerador: usa a energia rotacional do eixo para gerar eletricidade usando eletromagnetismo;
• Unidade de controle eletrônico: monitora o sistema, desliga a turbina em caso de mau funcionamento e controla o mecanismo de ajuste para alinhamento da turbina com o vento;
• Controlador: move o rotor para alinhá-lo com a direção do vento;
• Freios: detêm a rotação do eixo em caso de sobrecarga de energia ou falha no sistema.
• Torre: sustenta o rotor e a nacele, além de erguer todo o conjunto a uma altura onde as pás possam girar com segurança e distantes do solo;
• Equipamentos elétricos: transmitem a eletricidade do gerador através da torre e controlam os diversos elementos de segurança da turbina.

Excelente rentabilidade do investimento. Em menos de seis meses, o aero gerador recupera a energia gasta com o seu fabrico, instalação e manutenção.

Desvantagens:

A intermitência, ou seja, nem sempre o vento sopra quando a eletricidade é necessária, tornando difícil a integração da sua produção no programa de exploração;

Pode ser ultrapassado com as pilhas de combustível (H2) ou com a técnica da bombagem hidroelétrica.

Provoca um impacto visual considerável, principalmente para os moradores em redor, a instalação dos parques eólicos gera uma grande modificação da paisagem;

Impacto sobre as aves do local: principalmente pelo choque destas nas pás, efeitos desconhecidos sobre a modificação de seus comportamentos habituais de migração;

Impacto sonoro: o som do vento bate nas pás produzindo um ruído constante (43dB(A)). As habitações mais próximas deverão estar, no mínimo a 200m de distância.

Informações Adicionais .......................................................................

Na Bahia e no Rio Grande do Norte , 48 parques eólicos até agora não ajudaram a iluminar uma única casa. O problema é que faltam linhas de transmissão para levar a energia produzida pelo vento até os consumidores. Juntos, os parques teriam capacidade de produzir 1.286 megawatts de energia, o suficiente para abastecer 2,3 milhões de residências. Na Bahia, o parque eólico da Renova Energia, fica espalhado por três municípios: Caetité , Guanambi e Igaporã. O maior complexo eólico da América Latina ficou pronto em julho de 2012 e até hoje todas as torres estão paradas. A energia do local poderia abastecer uma cidade com quase 3 milhões de habitantes. De acordo com o contrato firmado durante o leilão, o governo federal paga pela energia, mesmo sem recebê-la.

Só a Renova Energia, na Bahia , recebeu – desde a inauguração – R$ 285 milhões. São R$ 15 milhões todo mês.

Conclusão

Este trabalho tem como objetivo a análise do aproveitamento da energia eólica, que como todas as demais energias possuem certas vantagens e desvantagens.

A implantação do uso de energia eólica depende unicamente do crescimento tecnológico da humanidade com o objetivo de diminuir os custos relativos à manutenção, diminuir o efeito sonoro e aumentar o rendimento das turbinas eólicas.