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.