Energia Eólica
Uma Fonte de Energia Alternativa

Autor: Ricardo Rodrigues | Meio Ambiente

Perspectiva histórica

Veleiros Historia da energia eolica
A energia eólica tem sido aproveitada ao longo da história de diversas formas e com diversos fins, desde a propulsão à produção de energia.

Velas para navegação marítima

A primeira aplicação da energia eólica foi feita pelos Egípcios, e consistia na utilização de velas na navegação marítima. No século XV esta aplicação da energia eólica seria fundamental para os Portugueses nas suas viagens de exploração.

Moinhos de vento

Moinho de vento antigos movidos a energia eolica
Outra das formas centenárias utilizada para aproveitar a energia do vento são os moinhos. Os moinhos de vento apareceram na Pérsia e estenderam-se para a Europa no século XII.

Energia eolica para moinhos de vento de extracção
Os moinhos de vento eram utilizados na moagem de cereais e apesar de serem construídos de forma bastante arcaica (a estrutura das pás e os  mecanismos de engrenagens eram construídos em madeira) mantiveram-se em funcionamento até há poucas dezenas de anos. Hoje em dia ainda é possível encontrar alguns em condições de funcionamento.

Uma aplicação mais recente (século XIX) que teve grande implantação foram os moinhos de vento para bombagem de água. A água era impulsionada por uma bomba volumétrica accionada através de um mecanismo de manivela ou veio excêntrico.

 Turbinas Eólicas

Turbina eolica construída em 1888
Na segunda metade do século XIX início do século XX começaram a ser desenvolvidas as primeiras turbinas eólicas para produção de energia eléctrica.

As primeiras turbinas eólicas eram máquinas com dimensões consideráveis, no entanto, devido à baixa velocidade de rotação a que trabalhavam, tinham baixa eficiência de produção de energia.

Verificou-se posteriormente que o caminho a seguir para aumentar a eficiência de produção de energia era construir turbinas com maior velocidade de rotação e menor número de pás.

Turbinas eolicas para testes ano 1887
Devido ao crescente interesse nesta forma de aproveitamento da energia eólica foram produzidas muitas  turbinas de testes das mais diversas configurações, no entanto a partir de 1980 quase todos os fabricantes começaram a optar pelo  mesmo conceito de construção, eixo horizontal com um rotor de três pás virado contra o vento.

A potência das turbinas eólicas tem aumentado consideravelmente na ultima década, actualmente a potência de uma turbina eólica standard ronda os 600 a 750 kW, enquanto que em 1990 o standard era de 300kW. Esta evolução resulta do aumento do tamanho das turbinas e do aperfeiçoamento da tecnologia.

turbina eolica actual
O aumento do tamanho das turbinas é vantajoso tanto do ponto vista económico como do ponto de vista ambiental. Em regra geral, utilizando turbinas com maior potência unitária podemos produzir mais energia a partir de um menor número de turbinas instaladas. A redução do número de rotores em movimento diminui também o impacto visual.

O vento

Origem

Imagem de um satélite da NASA onde as zonas quentes do oceano estão assinaladas a vermelho e a amarelo
Como quase todas as energias renováveis (excepto a energia geotérmica e a energia maremotriz) também a energia eólica é originada pelo sol.

Como sabemos o aquecimento da superfície terrestre por parte do sol não é homogéneo. As zonas próximas do equador recebem mais energia que outras mais afastadas.

O aquecimento irregular da superfície terrestre provoca o movimento de massas de ar entre o equador e os pólos.

As massas de ar aquecem no equador tornam-se mais leves, sobem na atmosfera e quando atingem as altas camadas da troposfera dirigem-se para os pólos.

Caso fosse este o único factor a influenciar os ventos, então teríamos apenas ventos de Norte para Sul no hemisfério Norte e de Sul para Norte no hemisfério Sul.

Os ventos globais (ventos 1000m acima do solo) também são influenciados pela rotação da terra e por zonas de altas pressões o que faz com que para diferentes latitudes tenhamos diferentes direcções predominantes de vento.

Direcções predominantes do vento nas altas camadas da atmosfera de acordo com a latitude

Hemisfério

N N N S S S
Latitude 90-60º 60-30º 30-0º 30-0º 60-30º 90-60º
Direcção NE SW NE SE NW SE

origem do vento

Quando se estuda a implantação de um parque eólico é importante conhecer a direcção predominante do vento no local em estudo. Conhecendo a direcção predominante do vento, podemos escolher o local de implantação das várias turbinas de modo a evitar que estas sejam perturbadas por obstáculos nessa direcção.

A tabela anterior refere-se aos ventos globais (ventos 1000m acima do solo onde não existe qualquer influencia de factores locais) , no entanto os ventos perto do solo podem não respeitar exactamente a tabela.

Factores que influenciam o vento

Junto ao solo (até 100m de altura) o vento é influenciado por inúmeros factores como sejam:

Vento influenciado por obstáculos
Obstáculos

A existência de obstáculos provoca uma diminuição da velocidade do vento e promove a criação de zonas de grande turbulência o que resulta em significantes perdas de energia.

Porosidade do solo

Variação da velocidade do vento em altura numa zona de classe 2

Velocidade do vento/altura

Devido à porosidade do solo existem forças de atrito que tendem a diminuir a velocidade do vento. Como podemos verificar no gráfico da direita a diminuição de velocidade do vento devido ao atrito é tanto maior quanto menor for a distância ao solo.

A variação da velocidade do vento com a altura influencia  o projecto das turbinas.  O projecto das turbinas eólicas tem de ter em conta que a força aplicada pelo vento na parte superior do rotor é maior do que a aplicada na parte inferior.

Como seria de esperar quanto mais porosa for a superfície maior será a sua influência na velocidade do vento, a tabela seguinte mostra a classe de rugosidade de vários tipos de superfícies:

Velocidade do vento em função rugosidade do solo

Velocidade do vento em função rugosidade do solo

Existem fórmulas empíricas que, com base numa velocidade medida a uma altura conhecida e na rugosidade do terreno, nos permitem estimar a velocidade a diferentes alturas.

energia solar factores que influenciam o vento

Efeitos locais

efeitos locais
Embora os ventos globais sejam importantes, a direcção e intensidade do vento numa determinada região é muitas vezes influenciada pelas condições climáticas dessa zona.

 Os efeitos mais comuns são as brisas marinhas e os ventos nas montanhas. 

As brisas marinhas são originadas pelo facto de, durante o dia, as zonas costeiras aquecerem mais rapidamente que o mar. O ar sobre a zona costeira aquece, torna-se mais leve, e ao subir na atmosfera arrasta ar fresco do mar para terra criando assim a referida brisa marinha. Durante a noite o vento muda de direcção e a brisa passa a dirigir-se em direcção ao mar.

ventos nas montanhas efeitos locaisOs ventos nas montanhas têm origem nas vertentes viradas a sul (Hemisfério Norte).  Quando as encostas e o ar que as rodeia aquecem por acção do sol dá-se uma diminuição na densidade do ar.

Este ar menos denso sobe ao longo da encosta em direcção ao topo da montanha criando assim uma corrente de ar junto à superfície da encosta.

Durante a noite o vento tem a direcção inversa, passa a descer a montanha. Nalgumas regiões montanhosas, como os Alpes ou os Andes, este efeito consegue por vezes produzir ventos bastante fortes.

Orografia (contornos do terreno)

Orografia (contornos do terreno)
Os contornos do terreno influenciam bastante as condições de vento, tanto em termos de velocidade como de direcção. Essa influência pode por vezes ser bastante benéfica devido à criação de efeitos aceleradores.

Um dos efeitos mais conhecidos é o efeito de túnel. Este efeito acontece quando o vento é obrigado a passar através de estrangulamentos (ex: vale no meio de duas montanhas).

Devido à diminuição da área de passagem provocada pelo estrangulamento o vento aumenta consideravelmente de velocidade, logo se instalarmos uma turbina eólica neste local teremos muito mais energia disponível.

Para que se obtenha um bom efeito de túnel é necessário que os obstáculos que criam esse efeito não sejam muito irregulares, caso contrário iremos ter muita turbulência,  o que inviabiliza a instalação das turbinas.

O ar ao aproximar-se da colina é comprimido

Outro dos efeitos aceleradores que pode ser criado devido aos contornos do terreno é o efeito de colina.

O ar ao aproximar-se da colina é comprimido, vai aumentando de velocidade até passar o topo da colina e volta a expandir-se  a jusante.

Potencial Eólico

Os conversores eólicos aproveitam a energia cinética do vento.

Sabemos que a energia cinética é dada por:formula do potencial eólico

Sendo o caudal mássico de ar através do conversor eólico dado por:

caudal mássico

temos  que a potência disponível será:

potência disponível

em que:

– Massa volúmica do ar (kg/m3)

A – área varrida pelo rotor da turbina(m2).

V – Velocidade do vento (m/s).

Com base na expressão anterior podemos facilmente concluir que a potência disponível irá variar com o cubo da velocidade do vento.

O gráfico da direita relaciona a velocidade do vento com a potência disponível por m2 de área varrida pelo rotor de uma turbina eólica. Por este gráfico podemos facilmente constatar que, ao duplicarmos a velocidade do vento de 8m/s para 16m/s, a potência disponível passa de 312,5 W/m2 para 2 500 W/m2.

velocidade do vento / potência disponível

Potência útil

Ps turbinas eólicas não aproveitam toda a energia disponível no vento porque isso é impossível. Para que isso se verificasse, a velocidade do vento à saída do conversor eólico teria que ser igual a zero; isto significava que o vento(uma determinada massa de ar) entrava na turbina mas não saía (situação impossível)

Podemos definir um factor, normalmente designado por coeficiente de potência, que relaciona a potência colectada (potência mecânica útil) com a potência disponível.

potencia útil / potencia disponível potência mecânica útil

Em 1919 Albert Betz’s (Físico Alemão) provou que o rendimento máximo que se poderia obter numa turbina eólica seria igual a 59,3 %, isto é:

Cpmax = 0.593

Este físico verificou também que o rendimento máximo é obtido quando a velocidade do vento à saída do conversor eólico é igual a 1/3 da velocidade à entrada, isto é :

V2 =1/3 V1

Considerando:

coeficiente de potência

Cw – factor de conversão de energia.

deflexão que a turbina provoca no escoamento
Na figura é possível verificar a deflexão que a turbina provoca no escoamento, esta deflexão deve-se ao facto da velocidade a jusante da turbina ser inferior à velocidade a montante.

Como a massa de ar à saída da turbina é igual ao caudal à entrada, então uma redução na velocidade de escoamento após a turbina implica um aumento da área ocupada pelo escoamento.

Com base nas expressões anteriores podemos também calcular o binário e a força tangencial que é aplicada nas pás da turbina.

tangencial que é aplicada nas pás da turbina

e

tangencial que é aplicada nas pás da turbina

logo:

força tangencial que é aplicada nas pás da turbina

Sendo:

Ft – Força tangencial aplicada em cada pá do rotor.[N]

T – Binário ao veio do rotor( veio de baixa velocidade).[N.m]

r – Raio do rotor. [m]

ω – Velocidade de rotação. [rad/s]

n – Número de pás do rotor.

N – Velocidade de rotação do rotor. [rot/s]

Turbinas Eólicas (Aerogeradores)

As turbinas eólicas classificam-se basicamente em dois tipos, eixo vertical e eixo horizontal.

Turbina de eixo horizontal

Turbina de eixo horizontal

Turbina de eixo vertical

Turbina de eixo vertical

Vantagens e desvantagens das turbinas de eixo vertical

 Vantagens

  • O gerador e a caixa de velocidades podem ser colocados no solo e a máquina não necessita de torre
  • Não necessita de mecanismo para orientar o rotor contra o vento.

Desvantagens

  • Baixa velocidade do vento junto ao solo
  • Baixa eficiência
  • Necessita de estar presa por cabos, não sendo assim viável a sua instalação em zonas de cultivo.
  • Uma avaria no rolamento principal implica a completa desmontagem da máquina.

Actualmente quase todas as turbinas eólicas para produção de energia eléctrica são turbinas de eixo horizontal com três pás, no entanto também existem turbinas  de apenas duas pás.

As turbinas eólicas utilizadas para produção de energia eléctrica são normalmente designadas como aerogeradores.

Constituição de uma turbina eólica – principais componentes

Quase todas as eólicas existentes actualmente no mercado têm uma constituição básica idêntica. As maiores diferenças têm a ver com as especificações técnicas dos seus componentes.

Para este exemplo foi utilizado o esquema de um aerogerador da marca NORDEX modelo N-90.


Principais características:     

Potência eléctrica nominal – 2 300 kW

Diâmetro do rotor – 90 m

Altura da torre – 80 a 100 m.

Constituição de uma turbina eólica principais componentes

1- Pás do rotor – As pás do rotor são normalmente construídas em fibra de vidro reforçada a resinas(epoxi) ou outros materiais plásticos. Esta combinação de materiais apresenta um bom compromisso entre rigidez, peso e custo de produção.

2- Cubo do rotor – Peça que suporta as pás da turbina.

3- Estrutura de suporte – É esta estrutura que suporta os principais componentes do aerogerador. (gerador, caixa de velocidades, armários do sistema de controlo,etc.)

4 – Rolamento do eixo de baixa velocidade. (baixa velocidade ≈ 15 a 30 rpm)

5 – Eixo de baixa velocidade. (eixo directamente ligado ao cubo do rotor)

6 – Caixa de velocidades – Faz a multiplicação de velocidade para o eixo de alta velocidade. (alta velocidade  ≈ 1500 rpm, caso se trate de um gerador  com dois pares de pólos que é o mais comum)

7 – Disco de travão – Serve para assegurar a imobilização do rotor quando o vento sopra com velocidades fora da gama de funcionamento turbina. (gama de funcionamento normal  – 3 a 5 m/s (velocidade normal de entrada em funcionamento)  / 25 m/s velocidade de paragem)

8 – Acoplamento do gerador  – acoplamento flexível.

9 – Gerador eléctrico – Transforma a potência mecânica colectada pela turbina em potência eléctrica.

10 – Permutador de calor do  circuito de arrefecimento da caixa de velocidades.

11 – Ventiladores para arrefecimento do gerador eléctrico.

12 – Sistema de medição das condições de vento – Este sistema mede as condições de vento (velocidade e direcção) e envia essa informação para o sistema de controlo da turbina. O sistema é composto por anemómetros e cata-ventos.

13 – Sistema de controlo do aerogerador – Este sistema monitoriza e controla o funcionamento da turbina de modo a assegurar o seu bom funcionamento.

14 – Sistema hidráulico – Controla a pressão dos sistema de travagem do rotor e do mecanismo de rotação da turbina. Nas turbinas de pás fixas(em que o controlo de potência é feito por perda aerodinâmica) o sistema hidráulico assegura também o controlo dos travões aerodinâmicos(Pequena secção móvel na ponta das pás – a  travagem aerodinâmica efectua-se rodando a ponta da pás 90º).

15 – Mecanismo de rotação da turbina – Este sistema é constituído por motores eléctricos que accionam as engrenagem para que a turbina esteja sempre virada contra o vento. Os motores eléctricos são comandados pelo sistema de comando de acordo com as informações que este recebe do sistema de medição do vento.

16 – Rolamento do mecanismo de rotação.

17 – Cabina do aerogerador – É dentro desta cabina que estão instalados os principais equipamentos do aerogerador.

18 – As torres podem ser tubulares, como a apresentada na figura, ou podem apresentar uma construção tipo treliça. As torres tipo treliça são mais baratas e necessitam de fundações mais ligeiras; no entanto, nos últimos anos, este tipo de torres tem vindo a perder mercado principalmente devido a questões relacionadas com o impacto visual.

19 – Sistema de ajuste do ângulo das pás (apenas existente em turbinas em que a regulação de potência é feita por variação do ângulo das pás) – Este sistema destina-se a ajustar o ângulo das pás de modo a que estas possam aproveitar o máximo de energia possível para diferentes velocidades de vento. Este sistema assegura também a travagem aerodinâmica quando é necessário parar a turbina. A travagem é conseguida através da rotação das pás da turbina de modo a que fiquem alinhadas com o vento.

Considerações acerca da dimensão das turbinas eólicas

Dimensão das Turbinas Eólicas
Na figura da direita podemos observar a relação entre o diâmetro típico do rotor e a potência nominal da turbina.

Numa primeira análise, e de acordo  com a figura, poderíamos pensar que quanto maior for a turbina a instalar maior será a energia produzida e, consequentemente, maior será a rentabilidade do investimento. A análise efectuada anteriormente nem sempre é verdade, pois existem diversos factores que condicionam a escolha do tamanho das turbinas.

As condições de vento no local onde se instala a turbina são bastante importantes; quanto maior for a potência do gerador a instalar, maior será a potência que teremos de ter disponível para fazer rodar a turbina.  Se pretendermos instalar uma turbina eólica num local com baixo potencial eólico, devemos escolher uma turbina com um gerador de pequena potência e um rotor grande. Ao fazermos esta escolha, estaremos a maximizar a potência produzida anualmente, dado que a turbina irá funcionar mais horas ao longo do ano.

Razões para optar por turbinas maiores

  • Como em muitas outras coisas, nas turbinas eólicas também existe economia de escala, isto é, máquinas grandes conseguem normalmente gerar energia a mais baixo preço. Isto acontece porque o custo das fundações, das estradas, da ligação à rede eléctrica, mais o número de componentes da turbina eólica são praticamente independentes do tamanho da mesma.
  • Grandes turbinas adaptam-se bastante bem a parques eólicos “off-shore”(parques construídos no mar). O custo das fundações não cresce proporcionalmente com o tamanho da máquina e o custo de manutenção é bastante independente do tamanho.
  • Em locais onde seja difícil encontrar espaço para instalar mais do que uma turbina, instalando uma turbina grande com uma torre alta podemos usar o recurso eólico existente mais eficientemente.

Razões para optar por turbinas menores

  • A rede eléctrica local pode ser demasiado fraca para suportar a produção de uma turbina grande. Isto pode acontecer em locais de fraca densidade populacional, que têm pouco consumo de energia eléctrica, e estão por isso distantes da rede eléctrica principal.
  • Um parque eólico constituído por várias turbinas pequenas apresenta menor flutuação de potência, as flutuações ocorrem arbitrariamente e têm assim tendência a anular-se mutuamente. Novamente turbinas mais pequenas podem ser vantajosas em linhas eléctricas fracas.
  • O custo de usar grandes veículos especiais e de construir estradas suficientemente consistentes que possibilitem o transporte de todos os componentes da turbina pode tornar as pequenas turbinas mais competitivas nalgumas zonas.
  • Aspectos estéticos podem por vezes indicar a instalação de turbinas menores. As turbinas grandes têm no entanto menor velocidade de rotação, logo atraem menos a  atenção do que um grande número de pequenas turbinas a rodar rapidamente.

Desenvolvimento Actual

A energia eólica é hoje em dia vista como uma das mais promissoras fontes de energia renovável, caracterizada por uma tecnologia já bastante madura.

Os parques eólicos são cada vez mais um elemento habitual na paisagem de muitos países europeus como a Alemanha, Dinamarca, Holanda e, mais recentemente, a Espanha ou o Reino Unido.

Na Europa estima-se que 25% do consumo de energia eléctrica poderia ser satisfeito a partir da energia eólica.

Os países Europeus com maior potencial eólico estimado são o Reino Unido, a Espanha e a França. Curiosamente, nem a Dinamarca nem a Holanda, países pioneiros na introdução da energia eólica na Europa, nem mesmo a Alemanha, o país com maior potência eólica instalada do mundo, são particularmente favorecidos do ponto de vista eólico. Portugal também não apresenta condições extraordinárias de vento.

turbinas eólicas no mar
Uma das áreas onde se têm registado maiores avanços é a instalação de turbinas no mar. A tendência para o aumento da potência unitária das turbinas, em conjunto com o desenvolvimento da tecnologia das fundações para turbinas marítimas, tem contribuído para aumentar a competitividade desta forma de aproveitamento da energia eólica.

O Governo Dinamarquês prevê instalar cerca de 4 000 MW em parques eólicos marítimos antes de 2030(se adicionarmos estes 4 000 MW aos cerca de 1 500 MW  instalados em terra então podemos dizer que cerca de 50% do consumo de energia eléctrica na Dinamarca será assegurado através da energia eólica).

A previsão do governo dinamarquês é sustentada num relatório elaborado pelas companhias eléctricas que aponta para um potencial eólico estimado de 8 000 MW, tendo em conta as restrições habituais(paisagem protegida, rotas marítimas, zonas militares). As zonas seleccionadas distam entre os 7 e os 40 km da costa e apresentam profundidades de 5 a 11 m. O desenvolvimento na tecnologia das fundações, parece indicar que em breve poderá tornar-se rentável instalar turbinas em águas com profundidades até aos 15 m; caso isto se confirme, o potencial eólico da costa Dinamarquesa poderá ascender aos 16 000 MW .

A energia eólica em Portugal tem tido pouca implantação dado que ao longo dos anos a aposta nas energias renováveis tem dado mais atenção à energia hídrica.

energia eólica em Portugal energia eólica em Portugal

Nos últimos anos, e em consequência de algumas alterações em termos de legislação aplicada ao sector energético, tem-se assistido à criação de alguns parques eólicos. Apesar da recente criação de vários parques eólicos, a potência eólica instalada actualmente no nosso país é ainda pouco significativa.

De acordo com o programa E4 apresentado pelo ministério da economia em Setembro de 2001 prevê-se que a potência eólica instalada no nosso país atinja os 3000 MW no ano 2010.

A energia eólica em Portugal

Impactos Ambientais da Energia Eólica

Positivos

O desenvolvimento da energia eólica pode ser atractivo ao nível nacional pelos seguintes motivos:

  • Contribuição positiva para o objectivo nacional em termos de limitação das emissões de gases com efeito de estufa e outras emissões atmosféricas ( CO2, NOx, SO2, partículas…);
  • Nula ou reduzida poluição atmosférica, da água e do solo;
  • Contribuição para o objectivo de redução da dependência energética;
  • Contribuição para os objectivos de política energética e de desenvolvimento sustentável.

Negativos

O desenvolvimento dum projecto eólico é susceptível de gerar alguns efeitos ambientais negativos que devem ser minimizados ou eliminados:

  • A localização dum parque eólico deve respeitar uma distância mínima em relação a zonas habitadas para que não se verifiquem perturbações provocadas pelo ruído emitido pelos aerogeradores, bem como evitar a escolha de sítios com valor patrimonial (arqueológico, histórico, ecológico, etc.);
  • O impacte visual de um parque eólico, embora seja subjectivo, exige certos cuidados, nomeadamente quando implantado em zonas mais sensíveis do ponto de vista da qualidade visual da paisagem;
  • O movimento de rotação das pás dos aerogeradores pode ser responsável pela morte de aves. Este efeito pode ser minimizado com uma correcta localização dos parques eólicos evitando, nomeadamente, as rotas migratórias; 
  • As fases de construção das vias de acesso e de implantação do parque eólico podem gerar alguns impactes na fauna e flora locais.