Turbina Eólica

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Antecedentes

Uma turbina eólica é uma máquina que converte a energia cinética do vento em energia mecânica rotativa, que é então usada para trabalhar. Nos modelos mais avançados, a energia rotacional é convertida em eletricidade, a forma mais versátil de energia, por meio de um gerador.

Por milhares de anos, as pessoas usaram moinhos de vento para bombear água ou moer grãos. Mesmo no século XX, turbinas eólicas delgadas e com várias palhetas feitas inteiramente de metal eram usadas em casas e ranchos americanos para bombear água para o sistema de encanamento da casa ou para o bebedouro do gado. Após a Primeira Guerra Mundial, o trabalho foi iniciado para desenvolver turbinas eólicas que poderiam produzir eletricidade. Marcellus Jacobs inventou um protótipo em 1927 que poderia fornecer energia para um rádio e algumas lâmpadas, mas pouco mais. Mais tarde, quando a demanda por eletricidade aumentou, as pequenas e inadequadas turbinas eólicas de Jacobs caíram em desuso.

A primeira turbina eólica em grande escala construída nos Estados Unidos foi concebida por Palmer Cosslett Putnam em 1934; ele o concluiu em 1941. A máquina era enorme. A torre tinha 36,6 jardas (33,5 metros) de altura e seus dois aço inoxidável as lâminas tinham diâmetros de 58 jardas (53 metros). A turbina eólica de Putnam pode produzir 1.250 quilowatts de eletricidade, ou o suficiente para atender às necessidades de uma pequena cidade. No entanto, foi abandonado em 1945 devido a uma falha mecânica.

Com o embargo do petróleo na década de 1970, os Estados Unidos começaram mais uma vez a considerar a viabilidade de produzir eletricidade barata a partir de turbinas eólicas. Em 1975, o protótipo Mod-O estava em operação. Esta era uma turbina de 100 quilowatts com duas lâminas de 21 jardas (19 metros). Mais protótipos se seguiram (Mod-OA, Mod-1, Mod-2, etc.), cada um maior e mais poderoso do que o anterior. Atualmente, o Departamento de Energia dos Estados Unidos tem como objetivo ir além de 3.200 quilowatts por máquina.

Existem muitos modelos diferentes de turbinas eólicas, sendo o mais impressionante o Darrieus de eixo vertical, que tem a forma de um batedor de ovos. O modelo mais aceito pelos fabricantes comerciais, no entanto, é uma turbina de eixo horizontal, com uma capacidade de cerca de 100 quilowatts e três pás de não mais que 33 jardas (30 metros) de comprimento. As turbinas eólicas com três pás giram com mais suavidade e são mais fáceis de equilibrar do que aquelas com duas pás. Além disso, embora as turbinas eólicas maiores produzam mais energia, os modelos menores têm menos probabilidade de sofrer grandes falhas mecânicas e, portanto, são mais econômicos de manter.

Parques eólicos surgiram em todos os Estados Unidos, principalmente na Califórnia. Os parques eólicos são enormes conjuntos de turbinas eólicas instaladas em áreas de produção eólica favorável. O grande número de turbinas eólicas interligadas é necessário para produzir eletricidade suficiente para atender às necessidades de uma população considerável. Atualmente, 17.000 turbinas eólicas em parques eólicos pertencentes a várias empresas de energia eólica produzem 3,7 bilhões de quilowatts-hora de eletricidade anualmente, o suficiente para atender às necessidades de energia de 500.000 residências.

Matérias-primas

Uma turbina eólica consiste em três partes básicas:a torre, a nacela e as pás do rotor. A torre é uma torre de treliça de aço semelhante a torres elétricas ou uma torre tubular de aço com uma escada interna para a nacela. O primeiro passo na construção de uma turbina eólica é erguer a torre. Embora as peças de aço da torre sejam fabricadas fora do local em uma fábrica, geralmente são montadas no local. As peças são aparafusadas antes da montagem e a torre é mantida na horizontal até a colocação. Um guindaste levanta a torre para a posição, todos os parafusos são apertados e a estabilidade é testada após a conclusão.
Em seguida, a nacela de fibra de vidro é instalada. Seu funcionamento interno - eixo de transmissão principal, caixa de engrenagens e controles de inclinação e guinada da lâmina - são montados e montados em uma estrutura de base em uma fábrica. A nacela é então aparafusada ao redor do equipamento. No local, a nacela é elevada até a torre concluída e fixada no lugar. A maioria das torres não tem caras, que são cabos usados ​​para suporte, e a maioria é feita de aço revestido com uma liga de zinco para proteção, embora alguns sejam pintados. A torre de uma turbina americana típica tem aproximadamente 80 pés de altura e pesa cerca de 19.000 libras.

A nacela é uma concha forte e oca que contém o funcionamento interno da turbina eólica. Normalmente feita de fibra de vidro, a nacela contém o eixo de transmissão principal e a caixa de engrenagens. Ele também contém o controle de passo das pás, um sistema hidráulico que controla o ângulo das pás, e o mecanismo de guinada, que controla a posição da turbina em relação ao vento. O gerador e os controles eletrônicos são equipamentos padrão cujos principais componentes são aço e cobre. Uma nacela típica para uma turbina atual pesa aproximadamente 22.000 libras.

Os mais diversos usos de materiais e a maior experimentação com novos materiais ocorrem com as lâminas. Embora o material mais usado para as pás em turbinas eólicas comerciais seja a fibra de vidro com um núcleo oco, outros materiais em uso incluem madeira leve e alumínio. As lâminas de madeira são sólidas, mas a maioria das lâminas consiste em uma pele em torno de um núcleo oco ou preenchido com uma substância leve, como espuma de plástico ou favo de mel, ou madeira balsa. Uma lâmina de fibra de vidro típica tem cerca de 15 metros de comprimento e pesa aproximadamente 2.500 libras.

As turbinas eólicas também incluem uma caixa de serviço, que converte a energia eólica em eletricidade e que está localizada na base da torre. Vários cabos conectam a caixa de utilidades à nacela, enquanto outros conectam toda a turbina às turbinas próximas e a um transformador.

O processo de fabricação

Antes que se possa considerar a construção de turbinas eólicas individuais, os fabricantes devem determinar uma área apropriada para a localização dos parques eólicos. Os ventos devem ser consistentes e sua velocidade deve ser regularmente superior a 15,5 milhas por hora (25 quilômetros por hora). Se os ventos forem mais fortes durante certas estações, é preferível que sejam maiores durante os períodos de uso máximo de eletricidade. Em Altamont Pass, na Califórnia, por exemplo, local do maior parque eólico do mundo, a velocidade do vento atinge o pico no verão, quando a demanda é alta. Em algumas áreas da Nova Inglaterra, onde os parques eólicos estão sendo considerados, os ventos são mais fortes no inverno, quando há necessidade de A nacela é uma casca forte e oca que contém o funcionamento interno da turbina eólica, como a unidade principal eixo e a caixa de engrenagens. Ele também contém o controle de passo das pás, um sistema hidráulico que controla o ângulo das pás, e o mecanismo de guinada, que controla a posição da turbina em relação ao vento. Uma nacela típica para uma turbina atual pesa aproximadamente 22.000 libras. o aquecimento aumenta o consumo de energia elétrica. Os parques eólicos funcionam melhor em áreas abertas de terreno ligeiramente ondulado rodeado por montanhas. Essas áreas são preferidas porque as turbinas eólicas podem ser colocadas em cumes e permanecer desobstruídas por árvores e edifícios, e as montanhas concentram o fluxo de ar, criando um túnel de vento natural com ventos mais fortes e rápidos. Os parques eólicos também devem ser colocados perto de linhas de serviços públicos para facilitar a transferência da eletricidade para a usina local.

Preparando o site

• 1 Onde quer que um parque eólico seja construído, as estradas são abertas para abrir caminho para o transporte de peças. Em cada localização de turbina eólica, o terreno é nivelado e a área do bloco é nivelada. Um concreto a fundação é então lançada no solo, seguida pela instalação dos cabos subterrâneos. Esses cabos conectam os aerogeradores em série e também conectam todos eles à central de controle remoto, onde o parque eólico é monitorado e a eletricidade é enviada para a concessionária.

Erigindo a torre

• 2 Embora as peças de aço da torre sejam fabricadas em uma fábrica fora do local, geralmente são montadas no local. As peças são aparafusadas antes da montagem e a torre é mantida na horizontal até a colocação. Um guindaste levanta a torre para a posição, todos os parafusos são apertados e a estabilidade é testada após a conclusão.

Nacelle

• 3 A nacela de fibra de vidro, assim como a torre, é fabricada em uma fábrica fora do local. Ao contrário da torre, no entanto, ela também é montada na fábrica. Seu funcionamento interno - eixo de acionamento principal, caixa de engrenagens e controles de inclinação e guinada da lâmina - são montados e, em seguida, montados em uma estrutura de base. A nacela é então aparafusada A caixa de utilidades para cada turbina eólica e o sistema de comunicação elétrica para o parque eólico são instalados simultaneamente com a colocação de a nacela e as lâminas. Os cabos vão da nacele à caixa de utilidades e da caixa de utilidades ao centro de controle remoto. em torno do equipamento. No local, a nacela é elevada até a torre concluída e fixada no lugar.

Lâminas rotativas

• 4 As lâminas de alumínio são criadas aparafusando folhas de alumínio, enquanto as lâminas de madeira são esculpidas para formar uma hélice aerodinâmica semelhante em seção transversal à asa de um avião.
• 5 De longe, o maior número de lâminas, no entanto, é feito de fibra de vidro. A fabricação de fibra de vidro é uma operação meticulosa. Primeiro, é preparado um molde dividido em duas metades como uma concha de molusco, mas com o formato de uma lâmina. Em seguida, uma mistura de resina composta de fibra de vidro é aplicada às superfícies internas do molde, que é então fechado. A mistura de fibra de vidro deve então secar por várias horas; enquanto isso, uma bexiga cheia de ar dentro do molde ajuda a lâmina a manter sua forma. Depois que a fibra de vidro está seca, o molde é aberto e a bexiga é removida. A preparação final da lâmina envolve limpeza, lixamento, selagem das duas metades e pintura.
• 6 As lâminas são geralmente aparafusadas na nacela depois que ela foi colocada na torre. Como a montagem é mais fácil de realizar no solo, ocasionalmente uma lâmina de três pontas tem duas lâminas aparafusadas na nacela antes de ser levantada, e a terceira lâmina é aparafusada depois que a nacela está no lugar.

Instalação de sistemas de controle

• 7 A caixa de utilidades para cada turbina eólica e o sistema de comunicação elétrica para o parque eólico são instalados simultaneamente com a colocação da nacela e das pás. Os cabos vão da nacele à caixa de utilidades e da caixa de utilidades ao centro de controle remoto.

Controle de qualidade

Ao contrário da maioria dos processos de fabricação, a produção de turbinas eólicas envolve muito pouca preocupação com o controle de qualidade. Como a produção em massa de turbinas eólicas é relativamente nova, nenhum padrão foi definido. Esforços estão sendo feitos nesta área por parte do governo e dos fabricantes.

Embora as turbinas eólicas em serviço funcionem 90% do tempo, muitas falhas estruturais ainda são encontradas, principalmente nas pás. As rachaduras às vezes aparecem logo após a fabricação. A falha mecânica devido a erros de alinhamento e montagem é comum. Os sensores elétricos freqüentemente falham devido a picos de energia. Os freios não hidráulicos tendem a ser confiáveis, mas os sistemas de freios hidráulicos costumam causar problemas. Planos estão sendo desenvolvidos para usar a tecnologia existente para resolver essas dificuldades.

As turbinas eólicas têm programas de manutenção regulares para minimizar falhas. A cada três meses eles passam por uma inspeção e a cada seis meses é programada uma grande verificação de manutenção. Isso geralmente envolve a lubrificação das peças móveis e a verificação do nível de óleo na caixa de engrenagens. Também é possível que um trabalhador teste o sistema elétrico no local e observe quaisquer problemas com o gerador ou conexões.

Benefícios ambientais
e desvantagens

Uma turbina eólica que produz eletricidade a partir de ventos inesgotáveis ​​não gera poluição. Em comparação, carvão, petróleo e gás natural produzem de um a dois quilos de dióxido de carbono (uma emissão que contribui para o efeito estufa e o aquecimento global) por quilowatt-hora produzido. Quando a energia eólica é usada para necessidades elétricas, a dependência de combustíveis fósseis para esse fim é reduzida. A atual produção anual de eletricidade por turbinas eólicas (3,7 bilhões de quilowatts-hora) é equivalente a quatro milhões de barris de petróleo ou um milhão de toneladas de carvão.

As turbinas eólicas não são totalmente isentas de desvantagens ambientais. Muitas pessoas os consideram antiestéticos, especialmente quando enormes parques eólicos são construídos perto de áreas selvagens intocadas. A morte de pássaros foi documentada, e as lâminas zumbindo produzem bastante ruído. Os esforços para reduzir esses efeitos incluem a seleção de locais que não coincidem com áreas selvagens ou rotas de migração de pássaros e a pesquisa de maneiras de reduzir o ruído.

O Futuro

O futuro só pode melhorar para as turbinas eólicas. O potencial da energia eólica ainda não foi explorado. O Departamento de Energia dos Estados Unidos estima que até 1995 será possível atingir dez vezes a quantidade de eletricidade produzida atualmente. Em 2005, será possível atingir setenta vezes a produção atual. Se isso for realizado, as turbinas eólicas responderão por 10% da produção de eletricidade dos Estados Unidos.

Atualmente, pesquisas estão sendo feitas para aumentar o conhecimento dos recursos eólicos. Isso envolve o teste de mais e mais áreas para a possibilidade de colocar parques eólicos onde o vento é confiável e forte. Os planos estão em vigor para aumentar a vida útil da máquina de cinco para 20 a 30 anos, melhorar a eficiência das pás, fornecer melhores controles, desenvolver trens de força que duram mais e permitir melhor proteção contra sobretensão e aterramento. O Departamento de Energia dos Estados Unidos definiu recentemente um cronograma para implementar as pesquisas mais recentes a fim de construir turbinas eólicas com uma classificação de eficiência mais alta do que é possível agora. (A eficiência de uma turbina eólica ideal é 59,3 por cento. Ou seja, 59,3 por cento da energia eólica podem ser capturados. As turbinas em uso real são cerca de 30 por cento eficientes.) O Departamento de Energia dos Estados Unidos também contratou três empresas para pesquisar maneiras de reduzir a falha mecânica. Este projeto começou na primavera de 1992 e se estenderá até o final do século.

As turbinas eólicas se tornarão mais prevalentes nos próximos anos. O maior fabricante de turbinas eólicas do mundo, a US Windpower, planeja expandir a capacidade de 420 megawatts (4.200 máquinas) para 800 megawatts (8.000 máquinas) até 1995. Eles planejam ter 2.000 megawatts (20.000 máquinas) até o ano 2000. Outros Os fabricantes de turbinas eólicas também planejam aumentar os números produzidos. Comitês internacionais compostos por várias nações industrializadas foram formados para discutir o potencial das turbinas eólicas. Esforços também estão sendo feitos para fornecer aos países em desenvolvimento pequenas turbinas eólicas semelhantes às construídas por Marcellus Jacobs na década de 1920. A Dinamarca, que já produz de 70% a 80% da energia eólica da Europa, está desenvolvendo planos para expandir a fabricação de turbinas eólicas. A virada do século deve ver turbinas eólicas bem posicionadas, eficientes, duráveis ​​e numerosas.