Força do vento

Energia Eólica

O vento é uma forma de energia solar. Os ventos são causados ​​pelo aquecimento desigual da atmosfera pelo sol, pelas irregularidades da superfície da Terra e pela rotação da Terra. Os padrões de fluxo de vento são modificados pelo terreno da Terra, corpos d'água e cobertura vegetal. A energia eólica é a energia cinética do ar em movimento. Esta energia eólica pode ser colhida. A energia eólica é a conversão dessa energia eólica em uma forma útil de energia, como energia elétrica usando turbinas eólicas, energia mecânica usando moinhos de vento, bombeamento ou drenagem de água por bombas eólicas e como velas para impulsionar navios. A energia eólica é uma fonte de energia renovável ou não convencional. Esta é uma fonte de energia limpa e não poluente. Está disponível em grandes quantidades em muitas partes do mundo. Não gera gases de efeito estufa durante a produção de eletricidade.





A quantidade total de energia economicamente extraível disponível do vento é muito alta. Axel Kleidon, do Instituto Max Planck, na Alemanha, realizou um cálculo “de cima para baixo” sobre a quantidade de energia eólica existente, começando com a radiação solar que impulsiona os ventos criando diferenças de temperatura na atmosfera. Ele concluiu que algo entre 18 TW e 68 TW (Terawatt que é um trilhão de watts) poderia ser extraído. Cristina Archer e Mark Z. Jacobson apresentaram uma estimativa "de baixo para cima" com base em medições reais da velocidade do vento. De acordo com esta estimativa, há 1700 TW de energia eólica disponível a uma altitude de 100 metros sobre terra e mar. Dessa potência disponível, entre 72 e 170 TW poderiam ser extraídos de forma prática e com custo competitivo. Mais tarde, eles estimaram que fosse 80 TW. No entanto, pesquisas na Universidade de Harvard estimam 1 Watt/m² em média e 2 a 10 MW/sq km capacidades para parques eólicos de grande escala, sugerindo que essas estimativas do total de recursos eólicos globais são muito altas por um fator de cerca de 4.

A geração de energia elétrica a partir da energia eólica ocorre com a ajuda de turbinas eólicas. Cada turbina eólica é acoplada a um gerador (alternador). Simplificando, uma turbina eólica é o oposto de um ventilador. Em vez de usar eletricidade para produzir vento, como um ventilador, as turbinas eólicas usam o vento para produzir eletricidade. O vento gira as pás, que giram um eixo que se conecta a um gerador para produzir eletricidade. Várias turbinas são conectadas para obter a saída desejada. Esse conjunto de grande número de turbinas eólicas é chamado de parque eólico. Um parque eólico é normalmente construído onde a velocidade do vento é suficiente para mover a lâmina da turbina.

Energia eólica

O uso da energia eólica para geração de energia está crescendo a um ritmo muito rápido. A energia eólica usa turbinas eólicas para coletar a energia do ar em movimento e converter essa energia em eletricidade. O princípio de geração de energia eólica a partir da energia eólica é o seguinte.

A energia eólica total que flui através de uma área imaginária A durante o tempo t é dada pela seguinte equação

Onde ? é a densidade do ar, v é a velocidade do vento, Avt é o volume de ar que passa por A (que é considerado perpendicular à direção do vento), Avt? é, portanto, a massa m passando por unidade de tempo. Observe que ½ ?v ² é a energia cinética do ar em movimento por unidade de volume.

Potência é energia por unidade de tempo, então a energia eólica incidente em A (por exemplo, igual à área do rotor de uma turbina eólica) é:



Da equação acima são inferidas as seguintes.

• A potência é diretamente proporcional à densidade do ar?. À medida que a densidade do ar aumenta, a potência da turbina aumenta.
• A potência é diretamente proporcional à área varrida das pás da turbina. Se o comprimento da pá for aumentado, o raio da área varrida aumentará de acordo com o aumento da potência da turbina.
• A potência do vento também varia com a velocidade e em uma corrente ao ar livre é proporcional à terceira potência da velocidade do vento (v). A potência disponível aumenta oito vezes quando a velocidade do vento é dobrada. As turbinas eólicas para eletricidade da rede, portanto, precisam ser especialmente eficientes em velocidades de vento mais altas.

Turbinas eólicas

Na usina eólica, a turbina eólica usa energia cinética, presente no vento para girar o motor principal do alternador (gerador) para produzir eletricidade. Quando um vento suficiente atinge as pás da turbina, elas giram. As lâminas são acopladas a um rotor. Assim, quando as pás se movem, o rotor também se move. Em uma turbina eólica, o sistema de passo controla a velocidade do rotor. O rotor está conectado ao eixo de baixa velocidade. Este eixo de baixa velocidade é conectado ao eixo de alta velocidade do gerador por meio de um sistema de engrenagens. O sistema de engrenagem aumenta a velocidade de rotação do eixo do gerador para a velocidade normal de um gerador comum. Este gerador de alta velocidade produz eletricidade.

As turbinas eólicas também consistem em um controlador de quando iniciar ou parar a máquina. Normalmente, as turbinas eólicas são operadas dentro de uma faixa de velocidades do vento. Quando a velocidade do vento cruza o limite inferior, a turbina é acionada e a turbina é automaticamente parada quando a velocidade do vento atinge o limite superior, também conhecido como velocidade do vento de sobrevivência. Todas as turbinas eólicas são projetadas para esta velocidade máxima do vento (velocidade do vento de sobrevivência)

As turbinas eólicas possuem um anemômetro que determina a velocidade do vento e envia informações regulares ao controlador se a velocidade do vento é alta ou não. O freio funciona em emergências para parar o rotor mecanicamente, eletricamente ou hidraulicamente. A turbina eólica também contém cata-vento, acionamento de guinada e motor de guinada. Suas funções são medir a direção do vento e ajustar as turbinas eólicas para ficarem na frente do vento quando a direção do vento mudar.

Existem geralmente dois tipos de turbinas eólicas. Turbina eólica de eixo horizontal (HAWT) e turbina eólica de eixo vertical (VAWT). O eixo horizontal é dividido em upwind e downwind, enquanto o eixo vertical é dividido em arrasto e sustentação.

Na turbina HAWT upwind, o eixo da turbina e do alternador estão alinhados horizontalmente e as pás da turbina são colocadas na frente da turbina, o que significa que o ar atinge as pás da turbina antes da torre. No caso da turbina a favor do vento HAWT, os eixos do rotor e do gerador também são colocados horizontalmente, mas as pás da turbina são colocadas após a turbina, o que significa que o vento atinge a torre antes das pás.

Se observarmos a turbina baseada em arrasto VAWT, o eixo do gerador está localizado verticalmente com as pás posicionadas para cima e as turbinas são normalmente montadas no solo ou em uma pequena torre. No caso da turbina baseada em elevação VAWT, o eixo do gerador é colocado verticalmente com a posição da lâmina para cima. A maioria das grandes turbinas eólicas modernas são turbinas de eixo horizontal devido à sua alta eficiência. Uma vez que as pás sempre se movem perpendicularmente ao vento e recebem energia durante toda a rotação. A turbina tem os seguintes componentes principais.

• Pá ou rotor que converte a energia do vento em energia rotacional do eixo
• Trem de acionamento incluindo uma caixa de engrenagens e um gerador
• Torre que suporta o rotor e o trem de força
• Equipamentos de equilíbrio incluem controles, cabos elétricos, equipamentos de suporte terrestre e equipamentos de interconexão.

Os componentes de uma turbina eólica são mostrados na Fig 1

 Fig 1 Componentes de uma turbina eólica

Um parque eólico é um grupo de turbinas eólicas no mesmo local usado para a produção de eletricidade. Um grande parque eólico pode consistir em várias centenas de turbinas eólicas individuais distribuídas por uma área extensa, mas a terra entre as turbinas pode ser usada para fins agrícolas ou outros. Um parque eólico também pode estar localizado no mar.

Quase todas as grandes turbinas eólicas geralmente têm o mesmo projeto que consiste em uma turbina eólica de eixo horizontal com um rotor contra o vento com três pás, presas a uma nacela no topo de uma torre tubular alta. Em um parque eólico, turbinas individuais são interconectadas com média tensão (cerca de 33 kV), sistema de coleta de energia e rede de comunicações. Em uma subestação, esta corrente elétrica de média tensão é aumentada em tensão com um transformador para conexão ao sistema de transmissão de energia elétrica de alta tensão.

A especificação de projeto para uma turbina eólica geralmente é baseada em uma curva de potência e disponibilidade garantida. A faixa de temperatura de operação típica é de 20 a 40 graus C. Nas áreas com clima extremo e clima quente são necessárias versões. As turbinas eólicas podem ser projetadas e validadas de acordo com os padrões IEC 61400 .

A aerodinâmica de um HAWT é um pouco complicada. O fluxo de ar nas pás não é o mesmo que o fluxo de ar longe da turbina. A aerodinâmica na superfície do rotor exibe fenômenos raramente vistos em outros campos aerodinâmicos. Em 1919, o físico Albert Betz mostrou que, para uma máquina ideal de extração de energia eólica, as leis fundamentais de conservação de massa e energia não permitiam que mais de 59,3% da energia cinética do vento fosse capturada. As turbinas modernas se aproximam desse limite da lei de Betz e podem atingir 60% a 70% desse limite teórico

As turbinas eólicas são normalmente projetadas para produzir o máximo de energia em uma ampla faixa de velocidades do vento. Todas as turbinas eólicas são geralmente projetadas para uma velocidade máxima do vento. As turbinas eólicas têm os três modos de operação a seguir.

• operação com velocidade do vento abaixo da classificação
• em torno da operação de velocidade do vento nominal (geralmente na capacidade da placa de identificação)
• acima da operação de velocidade do vento nominal

Se a velocidade nominal do vento for excedida, a potência deve ser limitada. Isso é feito de diferentes maneiras. Um sistema de controle envolve três elementos básicos que consistem em sensores para medir variáveis ​​de processo, atuadores para manipular a captura de energia e carregamento de componentes e algoritmos de controle para coordenar os atuadores com base nas informações coletadas pelos sensores.

Outras questões de energia eólica

• Como a velocidade do vento não é constante, a produção anual de energia de um parque eólico nunca é igual à soma das classificações da placa de identificação do gerador multiplicada pelo total de horas em um ano. A proporção da produtividade real em um ano para esse máximo teórico é chamada de fator de carga da planta (PLF). O PLF típico alcançado é de 15% a 40%. Valores mais altos de PLF na extremidade superior da faixa são alcançados em locais favoráveis ​​e são devidos a melhorias no projeto da turbina eólica.
• A energia eólica dificilmente sofre grandes falhas técnicas, uma vez que as falhas de turbinas eólicas individuais dificilmente afetam a energia geral, de modo que a energia eólica distribuída é altamente confiável e previsível.
• Embora as usinas eólicas tenham um impacto relativamente pequeno no meio ambiente em comparação com as usinas de combustível fóssil, há alguma preocupação com o ruído produzido pelas pás do rotor, os impactos estéticos (visuais) e as aves mortas ao voar para os rotores .
• O maior desafio de usar o vento como fonte de energia é que ele é intermitente, pois o vento nem sempre sopra quando a eletricidade é necessária. O vento não pode ser armazenado (embora a eletricidade gerada pelo vento possa ser armazenada, se forem usadas baterias), e nem todos os ventos podem ser aproveitados para atender ao tempo de demanda de eletricidade. Além disso, bons locais eólicos geralmente estão localizados em locais remotos longe das áreas de demanda de energia elétrica.
• O desenvolvimento de recursos eólicos deve competir com outros usos da terra, e esses usos alternativos podem ser mais valorizados do que a geração de eletricidade. No entanto, as turbinas eólicas podem estar localizadas em terras que também são usadas para pastagem ou até agricultura.





Aspectos Metalúrgicos da Galvanização do Aço Energia Solar Fotovoltaica