Cálculo da influência de uma turbina eólica na UFABC usando como hipótese o limite de Betz

Para compreender a influencia das turbinas eólicas, na conversão de energia eólica em energia mecânica, é necessário entender a Lei de Betz que concluiu que nenhuma turbina eólica pode converter mais do que 16/27 (0,59) da energia cinética do vento em energia mecânica no rotor[1].

Os aerogeradores extraem energia ao travar o vento, dessa forma a potência jamais atinge a eficiência de 100%. Sendo que o pico de máximo rendimento é estabelecido pelo limite de Betz. Esta relação entre o poder extraído e que está disponível no fluxo de ar é dada pelo coeficiente de potência, Cp:

Figura 1:Representação do volume de controle

Considerando o sistema um volume de controle pode-se aplicar a conservação de massa para este volume de controle, a taxa de fluxo de massa (a taxa de fluido que flui por unidade de tempo) é dada por:

Onde v1 na frente do rotor e v2 é a velocidade jusante do rotor, e v é a velocidade com dispositivo de alimentação do fluido, p é a densidade do fluido, e a área da turbina é dada por A

Considerando que a força exercida pelo vento do rotor descrita por:

Considerando que o trabalho feito pela força seja escrito por:

necessário que sua velocidade varie de acordo com a velocidade do vento, a fim de manter este coeficiente de potência.

A potência varia com o cubo da velocidade do vento, e proporcionalmente com a densidade do ar. A maior parte da energia eólica está localizada acima da velocidade média do vento projetado. Para a produção de energia elétrica em grande escala só é válido para ventos com velocidades superiores a 6 m/s, abaixo desse valor não há viabilidade para produção de energia.

Desse modo a velocidade com que estes aerogeradores começam a rodar situam-se entre 3 e 5 m/s. Sendo que os valores ideais de aproveitamento andam por volta de 9 a 10 m/s, levando em conta que as turbinas podem possuir sua eficiência máxima, dependendo da sua zona de velocidade de vento onde se encontra sua maior parte de energia. O valor limite para que as turbinas funcionem está em torno de 25 m/s. Nessas velocidades ás turbinas tem a capacidade de dissipar energia em excesso.

Hipótese:

Considerando que a turbina que faremos para o prédio da UFABC, tendo em vista que o raio da pá seja de 12 metros.

A sua área será representada por

O comportamento estatístico do vento ao longo do dia é um fator que é influenciado pela variação de velocidade do vento ao longo do tempo. As características topográficas de uma região também influenciam o comportamento dos ventos uma vez que, em uma determinada área, podem ocorrer diferenças de velocidade, ocasionando a redução ou aceleração na velocidade do vento. Além das variações topográficas e de rugosidade do solo, a velocidade também varia seu comportamento com a altura.

Tendo em vista que a velocidade do vento pode variar significativamente em curtas distâncias (algumas centenas de metros), os procedimentos para avaliar o local, no qual se deseja instalar aerogeradores, devem levar em consideração todos os parâmetros regionais que influenciam nas condições do vento. Entre os principais fatores de influência no regime dos ventos destacam-se:

  A variação da velocidade com a altura;

  A rugosidade do terreno, que é caracterizada pela vegetação, utilização da terra e construções;

  Presença de obstáculos nas redondezas;

  Relevo que pode causar efeito de aceleração ou desaceleração no escoamento do ar.

Análise dos dados dos ventos pelo Matlab

Tendo como objetivo a análise de dados da velocidade do vento e sua distribuição ao longo do período foi utilizado um anemômetro na UFABC, do qual media a velocidade do vento de segundo em segundo, assim como também foi possível adquirir dados de rajada do vento e a direção do vento.
Utilizou-se esses dados que se encontram no link: https://sites.google.com/site/energiaeolicaufabc/home em anexos , e a partir desses dados foi possível a criação  do gráfico da direção do vento utilizando o Matlab, conforme a imagem a seguir:

 Figura 1: Gráfico da velocidade , rajada e direção do vento

E com os dados de velocidade do vento foi possível obter o gráfico:

Figura 2: Gráfico da velocidade do vento

Analisando o gráfico feito utilizando os dados de velocidade do vento é possível observar que o vento não segue uma linearidade, ou seja, há períodos em que há mais ventos e outros com menos vento, a partir disso deve ser feito uma análise da relação de velocidade do vento com geração de vento, de modo que é necessário estabelecer qual é a vantagem da utilização da geração de energia a base do vento, assim como qual seria a potência com o qual as pás de uma turbina eólica deve funcionar, uma dessas análises foi mostrado na postagem do dia 16 de outubro de 2011( http://energiaeolicaufabc.blogspot.com/2011/10/calculo-da-influencia-de-uma-turbina.html ) onde a velocidade utilizada pelos cálculos foi de 19,85 m/s considerando Cp máximo.

A partir da análise dos dados pelo MatLab também foi possível obter o valor mínimo da velocidade do vento, que foi de 0 Km/h e o valor máximo do vento que foi de 18,92 Km/h.

Com os dados também foi possível adquirir a distribuição na forma de weibull, como mostrado na figura a seguir:

Figura 3: Gráfico de distribuição de Weibull do vento na UFABC

e

Figura 4: Gráfico de distribuição de Weibull do vento na UFABC

Além disso é importante averiguar a direção do vento, para saber qual é a melhor direção para a implatação de uma turbina eólica na UFABC, de modo que a região com maior tendência de direção de vento é a melhor lado que se deve construir a turbina eólica. Dessa forma foi criado a figura pelo MatLab que mostra a direção do vento mostrado pela figura 5 a seguir:

Figura 5: Gráfico de direção do vento

A partir da figura 5 é possível concluir que o vento na UFABC possui uma maior concentração de vento na região nordeste, ou seja, se fosse criada uma turbina na regição da Universidade Federal do ABC, em Santo André, esta deveria ser montada de modo que o vento usado para geração de energia éolica venha da direção nordeste. 

Altos deságios em leilões afetam o mercado

Os projetos de geração de energia a partir da energia eólica apresentam tarifas cada vez mais baixas para o consumidor, dessa forma as taxas de retorno cada vez menores tem assustado alguns players.

Dessa forma surge a pergunta até que ponto é vantajoso uma maior competitividade e uma tarifa cada vez menor para o consumidor, de modo que esses valores caiam sem que isso deixe de ser benefício e se torne um risco para o sistema.

Essa questão apresenta alguns problemas para a segurança energética, principalmente pelo fato de que um empreendedor pode falir, não conseguir vender um produto ou encontrar outros problemas muito maiores que podem implicar em atrasos. Os cálculos irreais de preços estão comprometendo a executabilidade das obras. De modo que as empresas analisem se vale a pena ou não correr o risco do projeto em troca dos ganhos de taxa de retorno percebidas nas usinas recentes que estão entre 6% e 10%, da qual são muito próximas das obtidas em títulos públicos.

Ao mesmo tempo, o momento de estabilidade do país trás segurança para que os novos empreendedores apostem seus recursos em investimentos nos contratos firmados. As taxas de retorno em empresas privadas estão girando em torno de 9% e 11% para projetos privados, e poderiam até cair mais, de acordo com a tendência mundial.

Comparando com o setor elétrico do qual apresenta um patamar menor. E dessa maneira os investidores poderiam se tornar mais escassos, para isso há incentivos de associações de empresas ao governo em projetos em que as subsidiárias da Eletrobras aparecem sempre como parceiros privados, assim como aconteceu no último leilão. Causando um efeito negativo pela ineficiência estatal e uma ameaça á sustentabilidade do modelo atual. Como no caso de Belo Monte, em que as construtoras estão deixando a Norte Energia, a empresa responsável pelo empreendimento.

Para os consumidores não está havendo nenhum problema, ao contrário das empresas, uma vez que quanto menores as taxas de remuneração, melhor para as tarifas que ficam menores e tendem á regulamentação. Mesmo que as companhias não consigam colocar as usinas de pé, os consumidores não perdem, já que o empreendedor só é remunerado caso entregue energia.

O que fez os parques eólicos terem seus preços reduzidos nos leilões?

A energia eólica tem surpreendido o governo e o público na sua redução de custos nos leilões tão significativa, de R$ 133 por MWh  das licitações do ano passado por R$ 100 por MWh.

As empresas alegaram que essa diferença é referente aos preços dos equipamentos, que representam mais de 70% dos custos totais para a construção de uma usina, fazendo com que após os leilões A-3 e de reserva, esses preços apresentem tamanha redução. Além disso, há a influência do câmbio nas atuais negociações, já que o dólar está 10% abaixo na comparação com o leilão do ano passado, alterando o patamar da parte importada dos aerogeradores.

Os empreendedores estão aceitando taxas mais baixas para entrar no mercado cada vez mais competitivo. O segredo é a redução do custo de investimento, principalmente vindo dos fabricantes de turbinas. Garantindo uma taxa de retorno dentro dos projetos em torno de 12% e 15 %, que está dentro da taxa internacional.

A Eletrobras Eletrosul com a usina de Ibirapuitã I, comercializa sua energia a R$ 96,49 por MWh,  pois sua planta foi a mais barata. Fechando até mesmo contratos com a empresa espanhola Gamesa e a argentina Impsa, fazendo com que seus aerogeradores sejam produzidos nas fábricas nacionais dos seus fornecedores.

Com essa redução, a primeira fábrica de aerogeradores a se estabelecer no Brasil corre o risco da empresa “ficar de fora” já que os patamares de custos então irreais, além da euforia no mercado decorrente desse fato.

Para o caso da Renova, que vendeu 212,9 MWh em nove parques, a sinergia com os projetos existentes tem colaborado bastante com a competitividade das plantas, ajudando na construções de parques que vencem leilões, economizando assim com estradas, linhas de transmissões e subestações. Ou seja, esta fonte está em um momento de otimização de custos e terrenos como no Rio Grande do Sul e na fronteira do Uruguai com ventos muito bons podem aumentar ainda mais a competitividade.

Gerador Eolico para Residências

O potencial eólico nas cidades

Nas cidades do Brasil, assim como em várias partes do mundo, quase não existem dados de vento com qualidade para uma avaliação do potencial eólico devido aos altos custos de instalações e manutenção da instrumentação necessária para as coletas de dados. [1]

Mapas eólicos como o da figura 1 podem ser pontos de partida para a estimativa de ventos regionais, mas são necessárias diversas fontes de informação para que o potencial eólico de uma micro-região possa ser estimado.

Como o levantamento histórico da velocidade do vento é fundamental para estimar o potencial futuro, pode-se utilizar dados de organizações que oferecem tais dados, como aeroportos, que realizam medidas diárias de ventos e outras variações meteorológicas. A análise dos dados de vento confirmaria as características dos ventos comerciais (trade-winds) que representam altas velocidades médias de vento, pouca variação nas direções do vento e pouca turbulência durante todo o ano [2].

O relevo e os diferentes climas de precipitação e temperatura exercem influências na produção da energia eólica conforme o caso e a região. Sendo que o relevo está servindo como obstáculo ao movimento da camada atmosférica inferior, como indutor de fenômenos de mesoescala (brisas montanha-vale) e como gerador de ondas e acelerações orográficas. Como a camada inferior da atmosfera tem espessura da ordem de 600m a 1.500m, áreas territoriais elevadas geralmente estão imersas em distintas camadas atmosféricas e regimes de vento. Além disso, os diferentes climas de precipitação e temperatura estão relacionadas às velocidades médias sazonais de vento. As amplitudes térmicas anuais são menores na grande região mais próxima ao Equador, aumentando em direção ao extremo sul do país. Os fatores que influem no clima brasileiro é a Zona de Convergência Intertropical ao norte, móvel ao longo do ano da qual convergem os ventos alísios com influencia do relevo continental na circulação atmosférica dos ventos exercida pelo maciço dos Andes. Assim como a influência da alta pressão do Anticiclone Tropical Atlântico e a ação periódica irregular das massas de ar polares que adentram as regiões Sul e Sudeste [1], evidenciado pela comparação no mapa a seguir. Estes fenômenos continentais possuem efeitos significativos na região sudeste (portanto em Santo André), o que torna o estudo de caso na UFABC particularmente complexo do ponto de vista brasileiro.

Figura 1 : Mapas típicos para planejamento do uso de energia eólica [1]

            A análise dos ventos em cidades em comparação as áreas rurais, mostraram que a estrutura das cidades, com edifícios e outras construções influenciam na circulação dos ventos. Estas construções servem como obstáculos aumentando a rugosidade do terreno e diminuindo a velocidade média na superfície [3].

Por outro lado, estes obstáculos produzem concentrações de vento e aumentam sua turbulência.

Assim, o conhecimento do vento, fator essencial para o planejamento e análise para planos da implantar a energia eólica nas cidades, deve ser localizado na região (cidade, prédio) de interesse [3].

Figura 2: Efeito da rugosidade produzida por prédios na velocidade média do vento [1]

Uma vantagem da conversão de energia eólica nas cidades é sua proximidade com o centro consumidor. A variação inerente da disponibilidade desta energia pode ser associada à necessidade também variável de consumidores. Esta associação exige o desenvolvimento de uma nova tecnologia de produção e uso da energia [3], como as redes elétricas inteligentes (Smart Grid).

Redes elétricas inteligentes são estudadas no mundo todo, pois elas permitiriam a integração de fontes renováveis e de difícil previsão, como a eólica e a solar, nas cidades. As redes elétricas inteligentes incorporam o monitoramento e tecnologia de sensoriamento para o controle da energia buscando a eficiência e o controle da geração, distribuição e transmissão, com vantagens em termos de economia de energia, reduzindo custos, além de acarretar a melhoria em relação ao aquecimento global, apagões e emissões de poluentes. Dessa forma, as tendências da demanda energética que possuem um crescimento com taxas sempre elevadas, poderão ter esse quadro revertido [5].

Sistemas inteligentes poderiam identificar falhas antecipadamente e permitir conhecer a condições de consumo instantâneo, por exemplo. A partir destas informações, as tarifas poderiam variar de hora em hora de acordo com a carga do sistema, para incentivar o consumo de energia fora dos horários críticos (de alta demanda). Pequenas fontes de energia renováveis, como a eólica, projetadas para alimentar uma residência, poderiam vender o excedente para consumo nesses horários críticos [5].

            Em relação à construção da tecnologia eólica nas cidades, há o problema do impacto visual que esta estrutura causa dentro das cidades. Dessa forma, uma empresa holandesa NL Architects criou uma turbina disposta em forma de árvores, conhecida como Power Flowers, da qual estas causam um visual mais agradável e harmônico, assim esses pequenos geradores em formato de árvore poderiam ser colocados em cidades [6]. Este tipo de problema e proposta de solução indicam a natureza multidisciplinar do uso de energia eólica nas cidades, bem como o potencial do trabalho proposto.

Figura 3 : Uma solução para o uso de energia eólica nas cidades [7]

Referência Bibliografica:

[1] ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. Atlas de Energia Elétrica do Brasil. 1ª Edição. Disponível em: http://www.aneel.gov.br/arquivos/PDF/livro_atlas.pdf . Acessado em : 26/04/11. Março, 2002

[2] CENTRO BRASILEIRO DE ENERGIA EÓLICA. Energia Eólica. Grupo Escolar. Disponível em: http://www.grupoescolar.com/materia/energia_eolica.html .   Acessado em: 26/04/11.

[3] Salemi L.F. Os Ventos e o Planejamento das Cidades. Publicado 26/12/2009 em : http://www.webartigos.com/articles/30388/1/Os-ventos-e-o-planejamento-das-cidades/pagina1.html . Acessado em: 26/04/11.

[4] CARBON TRUST. Small-scale Wind Energy, Policy insights and practical guidance. Disponível em: http://www.ukgbc.org/site/resources/show-resource-details?id=279 . Acessado em: 26/04/11. Reino Unido. Agosto, 2003.

[5] Luiz F. C. O que é Smart Grid?  Smart Grid News- Redes Elétricas Inteligentes. Disponível em: http://smartgridnews.com.br/o-que-e-smart-grid/ . Acessado em: 26/04/11. Dezembro, 2010.

[6] CICLO VIVO. Holandeses criam turbinas eólicas em formato de árvore. Disponível em http://www.ciclovivo.com.br/noticia.php/2188/holandeses_criam_turbinas_eolicas_urbanas_em_formato_de_arvore/ Acessado em 26/04/11.

[7] Jornal O Globo. Tecnologia para gerar energia dos ventos no meio das cidades. Disponível em: http://oglobo.globo.com/blogs/razaosocial/posts/2011/03/15/tecnologia-para-gerar-energia-dos-ventos-no-meio-de-cidades-368847.asp . Acessado em 26/04/11. Março, 2011.

  

Vantagens e Desvantagens da Energia Eólica

A questão do desenvolvimento energético está sendo muito debatido devido a sua importância na qualidade de vida da sociedade. Dessa forma a necessidade de uma energia alternativa e limpa, como a energia eólica, é de grande importância em um meio em que a população exige um crescimento na demanda energética.

A energia eólica é a energia cinética contida no movimento das massas de ar, o vento. O aproveitamento da energia eólica é feita pela utilização das turbinas eólicas e máquinas elétricas para conversão em eletricidade, ou com o uso de catas-ventos ou moinhos para o bombeamento de água.

Entre as vantagens da energia eólica pode-se citar a não emissão de gases poluentes ou de outros resíduos bem como a redução da logística necessária para manter o gerador funcionando (devido a ausência de transporte de combustíveis e a necessidade de baixa manutenção). A substituição de outras fontes por conversão de energia eólica pode diminuir a emissão de gases de efeito estufa (GEE). Além disso, a energia cinética das massas de ar é uma fonte inesgotável [1].

Normalmente os geradores são agrupados em parques eólicos, trazendo benefícios financeiros para os proprietários e a geração de emprego. Os parques eólicos são compatíveis com o uso de outras utilizações do terreno, como a pecuária e agricultura, aumentando o seu valor agregado. Considerando que o tempo de instalação é relativamente baixo (meses a dezenas de meses), e que há diversos incentivos para a montagem destes parques, a rentabilidade de investimento é rápida [3]. 

Do ponto de vista do Estado, uma vantagem é a redução das pressões por compra de combustíveis fósseis no exterior. Esta pressão no Brasil está baixa, mas tende a crescer à medida que o país aumenta suas necessidades energéticas. Além disso, a potencial redução da emissão de CO₂ facilita o cumprimento do protocolo de Quioto, reduzindo possíveis penalizações. E estas vantagens ocorrem sem aumento excessivo dos custos de geração [1].

Uma das desvantagens da energia eólica mais citada é o impacto sobre a vida selvagem do local, principalmente pelo choque das aves nas pás, interferindo nas suas migrações [1].

Outra desvantagem é que grandes torres provocam também um impacto visual, incluindo o aparecimento de sombras móveis. Junto com o impacto sonoro, que vem sendo reduzido com novas tecnologias, estes impactos devem ser observado com muito cuidado em aplicações de conversores de energia eólica nas cidades [1].

Mas, a principal desvantagem do uso da energia eólica é a aleatoriedade da velocidade do vento. Assim sua disponibilidade é difícil de prospectar ou de prever. O planejamento do uso desta energia de forma confiável exige a integração com outras fontes e uma boa avaliação do comportamento temporal da carga elétrica do local.

Para a avaliação do potencial eólico de uma região, cidade ou não, é necessária a coleta de dados dos ventos com precisão e com um bom histórico. Assim será possível um mapeamento eólico da região para que análises de viabilidade técnica e econômica sejam feitas.

Referência Bibliográfica:

[1]PORTAL ENERGIA. Vantagens e Desvantagens da Energia Eólica. Portal Energia – Energias Renováveis. Disponível em: http://www.portal-energia.com/vantagens-desvantagens-da-energia-eolica/ Acessado em 26/04/11. Agosto, 2008.

Energia Eólica

Aqui nesse blog , contarei um pouco sobre as pesquisas que realizo no plano das energias eólicas no ambiente urbano, focando esses estudos na ufabc. Mostrarei dados, resultados, assim como pesquisas que achei interessante, assim compartilhando um pouco com todos as minhas descobertas.
O vídeo acima , é uma reportagem sobre energia eólica, que mostra bem como é uma turbina eólica, e suas influencias.