O que são turbinas eólicas?
Turbinas eólicas são uma fonte de energia renovável que pode ser instalada tanto em terra quanto no mar. Elas operam convertendo a energia cinética do vento em eletricidade através de um gerador elétrico.
As turbinas eólicas variam em tamanho, desde pequenas unidades para uso doméstico (potência em kW) até grandes instalações capazes de abastecer cidades inteiras (potência em MW). Com o avanço da tecnologia, elas estão se tornando cada vez mais acessíveis.
Turbinas Eólicas
As vantagens das turbinas eólicas incluem a redução da dependência de combustíveis fósseis (carvão, petróleo etc.) e a diminuição das emissões de gases de efeito estufa. Contudo, há algumas desvantagens, como ruído e impacto visual. No geral, as turbinas eólicas são consideradas uma forma limpa e eficiente de gerar energia renovável.
O que é vento e como ele é causado?
Vento é o movimento do ar na atmosfera, impulsionado por diferenças de pressão causadas por diversos fatores. Quando o ar é aquecido pelo sol, ele sobe, criando uma área de baixa pressão. Quando o ar esfria, ele desce, resultando em uma área de alta pressão. Essas diferenças de pressão fazem com que o ar se mova de áreas de alta para baixa pressão, buscando equilíbrio.
A velocidade do vento depende da diferença de pressão. Uma maior diferença gera ventos mais fortes, enquanto uma menor diferença resulta em brisas suaves. A contínua equalização de pressão causa o movimento constante do ar, moldando os padrões climáticos que vivenciamos.
Para entender melhor o vento, podemos observar o processo de convecção natural. O ar aquecido sobe por ser menos denso, enquanto o ar mais frio desce devido à sua maior densidade. Este deslocamento cria um ciclo de ar ascendente e descendente. A convecção natural ocorre em grande escala na atmosfera terrestre, mas o princípio básico é o mesmo.
Convecção Natural
Quais são os principais tipos de turbina eólica?
As turbinas eólicas podem ser classificadas pelo eixo de rotação. As turbinas de eixo horizontal (HAWT) são comuns em aplicações comerciais de grande porte. Já as turbinas de eixo vertical (VAWT) são menos comuns e menos eficientes para grandes aplicações comerciais.
Quais são as principais partes de uma turbina eólica?
A seguir, uma visão geral dos componentes de uma turbina eólica; uma descrição detalhada de cada parte é fornecida posteriormente.
Partes da Turbina Eólica
As principais partes de uma turbina eólica são:
- Fundação – suporta o peso da turbina e suas partes. Geralmente feita de concreto ou aço.
- Torre – fornece suporte estrutural e eleva a nacela.
- Nacela – abriga toda a maquinaria de geração de energia.
- Rotor – composto pelas pás e um cubo.
- Pás – projetadas com uma forma de aerofólio para capturar a energia cinética do vento e convertê-la em energia mecânica.
- Cubo – uma peça comum à qual todas as pás se conectam.
- Eixo de baixa velocidade – transfere a energia mecânica (movimento rotacional) do rotor para uma caixa de engrenagens.
- Caixa de engrenagens – aumenta a velocidade de rotação do eixo de baixa velocidade.
- Eixo de alta velocidade – a saída de alta velocidade da caixa de engrenagens conecta-se ao eixo de alta velocidade.
- Gerador – converte a energia mecânica do eixo de alta velocidade em energia elétrica.
- Sistema de freio – para a rotação do rotor em uma emergência, ou quando a velocidade do vento é muito baixa, ou quando a manutenção da turbina está ocorrendo.
- Sistema de controle de guinada – um sistema hidráulico que alinha o rotor da turbina com a direção do vento para captura de energia ideal.
- Sistema de controle de passo – um sistema hidráulico usado para alterar o passo das pás do rotor. Variar o passo (ângulo de ataque) varia a potência de saída da turbina.
- Eletrônicos – regula a tensão e a frequência de saída do gerador.
- Transformador – geralmente instalado na base da torre ou montado dentro da nacela. O transformador aumenta a tensão de saída do gerador para transmissão eficiente de energia.
Agora será dada uma visão detalhada de cada uma das principais partes de uma turbina eólica.
Torre
A torre eleva a nacela, maximizando assim sua exposição às velocidades de vento mais altas que estão presentes em maiores alturas. Quanto maior a velocidade do vento, maior a quantidade de energia disponível para conversão em energia elétrica.
Nacela
A nacela é um compartimento situado no topo da torre. Ela abriga toda a maquinaria de geração de energia, incluindo a caixa de engrenagens, o gerador e os sistemas de controle. A nacela protege a maquinaria de geração de energia do ambiente, reduzindo assim os efeitos de desgaste, corrosão e erosão.
Rotor
O rotor consiste em duas partes principais: as pás e o cubo. O rotor captura a energia do vento e a converte em energia mecânica. À medida que o vento flui sobre as pás, ele induz uma força rotacional (torque) que é transmitida ao cubo e, consequentemente, aos outros componentes rotativos da turbina (eixo de baixa velocidade, caixa de engrenagens, eixo de alta velocidade e gerador).
Pás
As pás convertem a energia cinética do vento em energia mecânica; isso é alcançado porque cada uma das pás tem uma forma de aerofólio. O design do aerofólio gera sustentação à medida que o ar flui sobre a superfície da pá. A sustentação é a força linear que atua sobre a pá, mas é o torque - uma força rotativa - que faz as pás girarem.
Cubo
O cubo serve como ponto de conexão central para todas as pás da turbina. O cubo transfere o movimento rotacional gerado pelas pás para o eixo de baixa velocidade e, em seguida, para os outros componentes rotativos da turbina.
Eixo de baixa velocidade
O eixo de baixa velocidade transmite o movimento rotacional do rotor para a caixa de engrenagens.
Caixa de engrenagens
A caixa de engrenagens pega a baixa velocidade de rotação do eixo de baixa velocidade e a aumenta antes de passá-la para o eixo de alta velocidade.
Eixo de alta velocidade
O eixo de alta velocidade transfere a energia rotacional da caixa de engrenagens para o gerador.
Gerador
O gerador é responsável pela conversão final de energia. Ele converte a energia mecânica do eixo de alta velocidade em energia elétrica.
Sistema de Freio
O sistema de freio permite o controle operacional seguro da turbina eólica. Ele pode parar a rotação do rotor durante emergências, baixas velocidades de vento ou para atividades de manutenção.
Sistema de Controle de Guinada
O sistema de controle de guinada é usado para ajustar a orientação da nacela e do rotor em relação à direção do vento. Este sistema otimiza a captura de energia, garantindo que as pás enfrentem o vento no ângulo mais eficiente. Os sistemas de controle de guinada são geralmente acionados eletricamente ou hidraulicamente.
Sistema de Controle de Passo
O sistema de controle de passo modifica o ângulo de ataque das pás do rotor em relação ao vento. Ajustar o passo de uma pá ajusta a potência total de saída da turbina. Devido à natureza do vento e suas condições variáveis, o controle de passo é essencial para a operação eficiente de uma turbina eólica.
Eletrônicos
Os eletrônicos gerenciam e regulam vários aspectos do funcionamento da turbina. Eles controlam a tensão e a frequência de saída do gerador, garantindo que a turbina possa ser conectada (sincronizada) à rede de forma segura e eficiente.
Transformador
Normalmente localizado na base da torre ou dentro da nacela, o transformador serve para aumentar a tensão de saída do gerador. Este aumento de tensão causa uma redução na corrente, o que significa que as perdas de transmissão de energia podem ser reduzidas significativamente.
Cabos e Subestação
Os cabos transportam energia elétrica da turbina eólica para uma subestação. Múltiplas turbinas eólicas se conectam a uma única subestação. A subestação conecta o parque eólico à rede elétrica.
Como funcionam as turbinas eólicas?
As turbinas eólicas comerciais são estruturas altas, geralmente com três pás, que giram em torno de um eixo central. O eixo central é formado por um eixo de baixa velocidade entre um cubo do rotor e uma caixa de engrenagens, e um eixo de alta velocidade entre a caixa de engrenagens e o gerador elétrico (os dois eixos não são literalmente instalados ao longo de um eixo central, mas estão ligeiramente deslocados).
As pás da turbina são giradas pela energia cinética do vento (energia do movimento). Cada pá tem uma forma de aerofólio para maximizar a sustentação e minimizar o arrasto. A sustentação é uma força que atua sobre as pás à medida que o vento passa sobre elas, mas é o torque (força rotativa) que faz as pás girarem em torno do eixo central.
Design de Aerofólio
As pás se conectam a um cubo de rotor comum, que se conecta a um eixo de baixa velocidade, depois a uma caixa de engrenagens, depois a um eixo de alta velocidade e, finalmente, a um gerador. A energia cinética do vento é convertida em energia mecânica pelas pás da turbina; essa energia é então transferida para um gerador onde é convertida em energia elétrica. Todos esses componentes estão alojados dentro de uma nacela, que é instalada no topo de uma torre.
As turbinas eólicas frequentemente usam um design de torre monopolar cilíndrico, embora construções do tipo treliça também sejam possíveis. As torres monopolares são tipicamente fabricadas em aço, mas também podem ser construídas em concreto.
Quão grandes podem ser as turbinas eólicas?
A maior turbina eólica comercial é a Haliade-X da General Electric. A Haliade-X tem 260 m (853 pés) de altura, possui um diâmetro de rotor de 220 m (721 pés) e pode gerar quase 13 MW de energia elétrica (suficiente para cerca de 10.000 casas).
Por que as turbinas eólicas são tão altas?
As velocidades do vento são maiores em altitudes mais elevadas. A quantidade de energia que uma turbina eólica pode extrair do vento é proporcional à velocidade do vento. Velocidades de vento mais altas contêm mais energia potencial, portanto, as turbinas eólicas são construídas altas para alcançar essa energia potencial e colhê-la.
Quais são as vantagens das turbinas eólicas?
As turbinas eólicas estão sendo cada vez mais usadas como uma fonte de energia renovável. Existem muitos benefícios em usar turbinas eólicas em vez de fontes tradicionais de combustíveis fósseis, incluindo sua falta de emissões (uma vez instaladas e comissionadas), baixos custos de manutenção e capacidade de gerar eletricidade mesmo em baixas velocidades de vento. As turbinas eólicas também podem ser usadas para complementar outras fontes de energia, como solar (fotovoltaica, frequentemente abreviada como 'PV'), hidro e usinas de energia não renováveis (carvão, gás, petróleo etc.). Além disso, as turbinas eólicas podem ser construídas em uma variedade de tipos de terreno, incluindo terras agrícolas, desertos, áreas urbanas e até mesmo no mar (offshore).
Quais são as desvantagens das turbinas eólicas?
As turbinas eólicas são uma fonte de energia renovável cada vez mais popular, mas também têm algumas desvantagens. Um dos problemas mais significativos é que as turbinas eólicas podem ser visualmente desagradáveis para algumas pessoas, especialmente em áreas rurais. Elas também representam uma fonte de poluição sonora, pois as pás de uma turbina podem gerar ruído devido ao movimento das pás pelo ar e, às vezes, também devido à vibração. As turbinas eólicas podem representar uma ameaça à vida selvagem, pois pássaros e morcegos podem ser mortos se voarem contra as pás. Finalmente, as turbinas eólicas podem ser uma fonte de poluição luminosa, pois as pás giratórias criam sombras piscantes.
No geral, as turbinas eólicas oferecem uma fonte de energia relativamente limpa, mas também apresentam pequenas desvantagens.
Onde uma turbina eólica pode ser instalada?
As turbinas eólicas podem ser encontradas em uma variedade de locais, desde campos abertos até topos de montanhas. Muitas vezes, elas são agrupadas em 'parques eólicos' que podem gerar quantidades significativas de energia (centenas de Mega Watts). Alguns dos maiores parques eólicos estão localizados nos Estados Unidos, China, Reino Unido e Alemanha. À medida que o uso de energia eólica continua a crescer, é provável que as turbinas eólicas se tornem ainda mais comuns.
Parque Eólico
Recursos para aprender mais sobre turbinas eólicas:
O Programa de Energia Eólica do Departamento de Energia dos EUA tem uma riqueza de informações em seu site.
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine
https://www.enelgreenpower.com/learning-hub/renewable-energies/wind-energy/wind-turbine
https://www.repsol.com/en/energy-and-the-future/future-of-the-world/wind-turbine/index.cshtml