Turbinas Eólicas: Como Geram Energia Limpa

Nos Estados Unidos hoje, uma turbina eólica é uma das formas mais comuns e limpas de gerar energia. Esta geração de energia ocorre desde grandes parques eólicos a pequenas turbinas alimentando uma única casa. Turbinas eólicas ao redor do globo produzem eletricidade limpa capaz de atender a uma variedade de necessidades de energia.

Hoje você conhecerá a definição, aplicações, função, componentes, diagrama, tipos e funcionamento de uma turbina eólica. Também conhecerá as vantagens e desvantagens destes tipos de turbinas eólicas.

O que é uma turbina eólica?

Uma turbina eólica é uma máquina que converte energia cinética do vento em eletricidade limpa. Também pode ser vista como um dispositivo que converte energia cinética do vento em energia elétrica limpa e renovável.

A turbina tem pás que giram entre 13 e 20 rotações por minuto, embora dependa de sua tecnologia. Isso pode ser devido a velocidade constante ou variável, ou seja, a velocidade do rotor difere em relação à velocidade do vento. Isso frequentemente ajuda a alcançar maior eficiência.

Turbinas eólicas são projetadas para ter vida média de mais de 25 anos. A rápida evolução da tecnologia eólica trouxe aumento na durabilidade e usabilidade das turbinas eólicas.

Turbinas eólicas têm uma ampla gama de tamanhos e tipos, seja de eixos horizontais ou verticais. Podem ser chamadas de parques eólicos onde centenas de milhares de grandes turbinas são instaladas. Geram mais de 650 gigawatts de potência, com 60 GW adicionados a cada ano, o que as torna uma fonte cada vez mais importante de energia renovável intermitente. A maioria dos países emprega turbinas eólicas para reduzir custos de energia e diminuir o uso de combustíveis fósseis.

Aplicações de turbina eólica

As aplicações de uma turbina eólica são tão vastas, pois energia é necessária em quase todos os fenômenos humanos. Desde o uso inicial de energia eólica, tem sido usada para gerar potência mecânica. Já em 5000 a.C., egípcios usavam energia eólica para impulsionar barcos ao longo do Rio Nilo. Colonos americanos usavam o sistema para bombear água, moer grãos e cortar madeira em serrarias.

Hoje turbinas eólicas menores são usadas para aplicações como alimentar sinais de trânsito, carregamento de baterias para potência auxiliar para barcos ou trailers. Turbinas maiores são projetadas para contribuir com fornecimento de energia doméstica, pois a energia não usada é vendida de volta ao fornecedor de serviços públicos via rede elétrica.

Além disso, em turbinas grandes, suas aplicações são fornecer energia à rede, variando de 100 quilowatts a vários megawatts. Estas turbinas de escala de utilidade são frequentemente agrupadas em parques eólicos para que maior quantidade de eletricidade possa ser produzida. Potência suficiente produzida será capaz de alimentar dezenas de milhares de casas.

Em turbinas eólicas pequenas, elas são tipicamente próximas às aplicações que alimentarão, por exemplo, perto de estações de bombeamento de água, residências, antenas de telecomunicações, etc. geram até 100 quilowatts. Esta turbina às vezes é conectada a geradores a diesel, baterias e sistemas fotovoltaicos. Também é chamada de sistema eólico híbrido.

Finalmente, turbinas eólicas offshore tendem a ser massivas e mais altas. São capazes de capturar ventos oceânicos poderosos e gerar vasta quantidade de energia de cerca de 4.000 gigawatts de eletricidade. Frequentemente usadas em muitos países para aproveitar energia forte.

Nota: a função principal de uma turbina eólica é gerar energia ou usá-la diretamente para energia mecânica.

Componentes de uma turbina eólica

Turbinas eólicas convertem energia eólica em energia elétrica para distribuição. Abaixo estão os componentes de turbinas convencionais de eixo horizontal.

• O rotor – representa aproximadamente 20% do custo do dispositivo, incluindo as pás que convertem energia eólica em energia rotacional de baixa velocidade.
• Gerador – representa cerca de 34% do custo da turbina eólica, incluindo gerador elétrico, eletrônica de controle e provavelmente caixa de engrenagens (ex: planetária), acionamento de velocidade ajustável ou transmissão continuamente variável. Estes componentes da turbina eólica são responsáveis por converter a rotação de baixa velocidade de entrada em rotação de alta velocidade adequada para geração de eletricidade.
• Estrutura circundante – é aproximadamente 15% do custo da turbina eólica, inclui a torre e mecanismo de orientação do rotor.

Diagrama de um sistema de turbina eólica:

Tipos de turbinas eólicas

Basicamente existem dois tipos de turbinas eólicas: eixo horizontal e eixo vertical.

Turbinas eólicas de eixo horizontal:

A maioria das turbinas eólicas usadas hoje é de eixo horizontal, o que significa que as pás estilo hélice são projetadas para girar em torno de um eixo horizontal. Estes tipos de turbinas eólicas são ou a favor do vento, ou seja, o vento atinge as pás antes da torre. Contra o vento é o outro tipo, onde o vento atinge a torre antes das pás.

O tipo a favor do vento usa unidade de orientação e motor, componentes que viram a nacela para manter o rotor enfrentando o vento quando sua direção muda. Isso é alcançado usando sensor de vento montado no sistema de orientação para turbinas maiores. Turbinas pequenas são apontadas por uma simples bandeira de vento.

Uma turbina eólica de eixo horizontal é abreviada como HAWT. É comum hoje que grandes turbinas eólicas de eixo horizontal de três pás com as pás a favor do vento da torre produzam a esmagadora maioria da energia eólica no mundo hoje.

Os tipos de turbina contra o vento foram construídos para eliminar alguns mecanismos adicionais para mantê-los alinhados com o vento. Suas pás são projetadas para dobrar em ventos fortes, o que reduz sua área varrida e assim sua resistência ao vento.

Apesar dos benefícios, o design contra o vento oferece, designs a favor do vento ainda são preferidos. Isso porque a mudança de carga do vento à medida que cada pá passa atrás da torre de suporte pode danificar a turbina.

Turbinas eólicas de eixo vertical:

As turbinas eólicas de eixo vertical ou VAWTs têm seu eixo principal do rotor disposto verticalmente. O propósito deste arranjo é que não há necessidade de a turbina apontar para o vento para efetividade. Esta é uma vantagem para locais onde a direção do vento é altamente variável. Também é um benefício quando a turbina é integrada a um edifício, pois é intrinsecamente menos direcionável.

Nestes tipos de turbinas eólicas, o gerador e caixa de engrenagens podem ser colocados próximos ao solo usando acionamento direto do conjunto do rotor para a caixa de engrenagens baseada no solo. Isso melhora acessibilidade para manutenção. No entanto, estes designs oferecem muito menos energia em média ao longo do tempo, o que é uma grande desvantagem.

Os tipos de turbina vertical têm eficiência muito menor que os designs horizontais. Velocidade rotacional relativamente baixa com consequente torque mais alto e custo mais alto do trem de força também afetam o sistema. Estes tipos de turbinas eólicas se dividem em dois designs principais:

Baseada em arrasto, ou turbina Savonius – geralmente têm rotores com pás sólidas que giram em torno de um eixo vertical.

Baseada em sustentação, ou turbina Darrieus – têm estilo aerofólio vertical alto, embora algumas pareçam ter formato de batedor de ovos. Uma espiral de vento é um tipo de turbina baseada em sustentação, embora ainda esteja passando por testes independentes.

Funcionamento de uma turbina eólica

O funcionamento de uma turbina eólica é menos complexo e pode ser facilmente compreendido. A maioria das turbinas eólicas consiste em três pás, embora aquelas com duas pás sejam comuns. Estas pás são montadas em uma torre feita de aço tubular. A turbina faz uso de velocidades de vento mais rápidas encontradas em altitudes mais altas, já que a torre está a 30 metros ou mais acima do solo.

A energia do vento é capturada com pás semelhantes a hélices, parecidas com asa de avião. Então, quando o vento sopra, uma bolsa de ar de baixa pressão forma em um lado da pá. Esta bolsa de ar de baixa pressão então puxa a pá em sua direção, fazendo o rotor girar. Isso é conhecido como sustentação. A força da sustentação é muito mais forte que a força do vento contra o lado frontal da pá, que é chamado de arrasto. A combinação da sustentação e arrasto faz o rotor girar como uma hélice.

Uma série de engrenagens é usada para aumentar a rotação do rotor de cerca de 18 rotações por minuto. Isso é aproximadamente 1.800 rotações por minuto, o que permite que o gerador da turbina produza eletricidade CA.

Como afirmado anteriormente, a nacela é a parte que abriga alguns componentes-chave da turbina. Estes incluem rotores, engrenagens e geradores, montados no topo da torre da turbina. Estas nacelas são grandes o suficiente. Outra parte importante é o controlador da turbina, que mantém as velocidades do rotor de exceder 88 km/h. Isso ajuda a manter o sistema seguro de ventos fortes.

Um anemômetro é usado no sistema para medir continuamente a velocidade do vento e enviar os dados ao controlador. A nacela também contém um freio que para o rotor mecanicamente, eletricamente ou hidraulicamente em caso de emergência.

Assista ao vídeo abaixo para saber mais sobre o funcionamento da turbina eólica:

Vantagens e desvantagens de turbinas eólicas

Vantagens:

Abaixo estão os benefícios das turbinas eólicas em suas várias aplicações:

• HAWT com torre alta, base dá acesso a vento mais forte em locais com cisalhamento de vento.
• Alta eficiência, porque as pás se movem perpendicularmente ao vento, recebendo potência durante toda a rotação em HAWT.

Para VAWT

• Produzem eletricidade em qualquer direção do vento
• Baixo custo de produção comparado a turbinas eólicas de eixo horizontal.
• Torre de suporte forte não é necessária
• Fácil de transportar de um lugar para outro
• Baixo custo de manutenção.
• Podem ser instaladas em área urbana.

Desvantagens

Apesar das boas vantagens destes tipos de turbinas eólicas, algumas limitações ainda ocorrem. Abaixo estão as desvantagens de turbinas eólicas.

Para HAWT:

• Construção massiva de torre é necessária.
• Componentes como caixa de engrenagens, eixo do rotor e conjunto de freio são erguidos para posição.
• Variantes contra o vento sofrem de fadiga e falha estrutural.

Para VAWT:

• A eficiência é muito baixa comparada a HAWT.
• Alta vibração é experimentada.
• Poluição sonora é criada.
• Devido à vibração, desgaste dos mancais aumenta, resultando em altos custos de manutenção.
• Empurrão inicial para iniciar é necessário.

Conclusão

Turbinas eólicas são máquinas que convertem energia cinética do vento em eletricidade limpa. São de dois tipos, abreviados como HAWT e VAWT. Funcionam de forma diferente e oferecem benefícios distintos. Isso é tudo para este artigo, onde explicamos a definição, aplicações, função, componentes, diagrama, tipos e funcionamento de uma turbina eólica. Também listamos as vantagens e desvantagens destas turbinas eólicas.

Espero que tenha obtido muito deste post; se sim, compartilhe com outros estudantes. Obrigado por ler. Até a próxima!