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.