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Turbinas eólicas

2019-04-17T16:46:16Z

AntonioFigueiredo:

'''Turbinas eólicas'''

'''As turbinas eólicas,''' ou aerogeradores, são equipamentos capazes de converter a energia cinética do ar (que se desloca devido às diferenças de pressão atmosférica terrestre, causadas por diferenças de temperatura na superfície terrestre – é uma energia derivada da solar em energia elétrica – utilidade usada em praticamente todas as ações industriais e do quotidiano. As turbinas eólicas são compostas por pás, como um cata-vento, que o vento faz girar, convertendo a energia cinética deste em energia mecânica. As pás estão ligadas a um eixo que, por sua vez, está ligado a um gerador, sendo nele que é feita a conversão de energia mecânica em energia elétrica. As turbinas são geralmente instaladas na forma de parques eólicos, com vários aerogeradores de grandes dimensões.

A energia gerada pelas turbinas eólicas depende da densidade do ar, da área das pás e principalmente da velocidade do vento – a energia potencial da turbina depende do cubo da velocidade do vento perpendicular às pás–. A energia máxima passível de ser retirada do vento com aerogeradores está limitada 59.3% (16/27). Este valor foi determinado pelo físico alemão Albert Betz, e é chamado limite ou lei de Betz.

Por esta razão os parques eólicos são geralmente instalados em zonas ventosas, onde o potencial eólico é maior, sobre torres elevadas (onde o vento não é tão afetado pelo relevo do solo). Os aerogeradores podem também ser instalados no mar, onde a presença de vento é mais regular. Normalmente só é adequado fazer parques eólicos para velocidade de vento superiores a 4 m/s, permitindo assim classificar as turbinas através do parâmetro .WPD (''Wind Power Density)''.

Estas turbinas são responsáveis pela produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis, não poluentes e que reduzem a dependência de combustíveis fosseis.

'''''Wind Power Density'' (WPD)''' <ref name=":0">Autor Desconhecido. (s.d.). [[wikipedia:Wind_turbine|Turbinas Eólicas (Wikipédia)]]. Wikipédia. Consultado em 19 de fevereiro de 2019</ref>

O WPD trata-se de uma medida quantitativa da energia eólica disponível numa região, determinada através da média anual de energia disponível por metro quadrado. Este parâmetro permite classificar as turbinas eólicas, numa escala de I a III, consoante a velocidade média do vento para a qual foram projetadas, indicando ainda a intensidade da turbulência suportadas, através das letras A, B e C.
{| class="wikitable"
|+'''Classificação das turbinas eólicas consoante a velocidade média do vento'''
!Class
!Avg Wind Speed (m/s)
!Turbulence (%)
|-
|IA
|10
|16
|-
|IB
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|14
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|IC
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|}
 
[[Ficheiro:GE-turbine.gif|miniaturadaimagem|Fonte: [https://www.gerenewableenergy.com/wind-energy/turbines.html GE Renewable Energy]]]
'''Constituição'''

Os aerogeradores têm vários componentes. Os componentes fundamentais são o eixo ou rotor, um gerador elétrico e respetivo sistema de controlo, e a torre de suporte. O rotor é o componente destinado a converter a energia cinética do vento em energia mecânica, e pode ser de 2 tipos. Dependendo do tipo de rotor têm-se 2 aerogeradores diferentes. Este equipamento engloba também as pás, que podem ser de madeira, alumínio, aço, fibra de vidro, fibra de carbono e/ou Kevlar™. A área das pás é fundamental na quantidade de energia que o aerogerador consegue produzir. O rotor pode rodar sobre o seu próprio eixo, mas permite também que o plano das pás faça um certo ângulo com a horizontal, adaptando-se à direção do vento. As pás também podem rodar ligeiramente sobre o seu próprio eixo.

O gerador é o elemento responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica.

Algumas das características das turbinas eólicas são essenciais ao funcionamento das mesmas, de modo a garantir a eficiência de operação dentro da gama de valores possíveis, bem como a correta distribuição para a rede de energia. São estas as seguintes:<ref>Autor desconhecido. (s.d.). [https://www.acciona.com/renewable-energy/wind-power/wind-turbines/ Wind Turbines]. ''Acciona.'' Consultado em 20 de fevereiro de 2019.</ref>

*'''Orientação automática:''' As turbinas eólicas orientam-se automaticamente para tirar o maior proveito da energia cinética do vento. Estas movem-se sobre um eixo localizado no topo da torre.
*'''Movimento das pás:''' Através da ação do vento, as pás começam-se a deslocar a partir de velocidades de cerca de 3,5 m/s e atingem um máximo de eficiência para velocidades na ordem dos 11 m/s. Em casos de ventos extremos (25 m/s ou superior), existe um mecanismo de segurança que abranda as pás e, consequentemente, a produção de energia, por forma a evitar voltagens excessivas.

*'''Transporte da energia gerada:''' A energia produzida é encaminhada até à base do aerogerador, e posteriormente conduzida até uma sub-estação, onde se aumenta a sua voltagem para permitir a incorporação na rede elétrica e assim a sua distribuição e uso. Todo este processo pode ser esquematizado pela figura, abaixo.

[[Ficheiro:Subestacao.png|centro|miniaturadaimagem|580x580px|Esquema do trajeto de produção, incorporação e distribuição de energia elétrica na rede. Fonte: ''[https://www.energy.gov/eere/wind/how-do-wind-turbines-work Office of Energy and Renewable Energy]'']]

*'''Controlo e Monitorização:''' Todas as funções críticas das turbinas eólicas são monitorizadas e supervisionadas na subestação e no centro de controlo, de forma a detetar e resolver quaisquer falhas ou incidentes que se possam verificar. Existe ainda, no topo do aerogerador, um aparelho de registo de informação relativa às correntes de vento (velocidade e direção).

'''Princípios de Funcionamento'''

A transformação da energia fornecida pelo vento em energia elétrica dá-se a partir da força aerodinâmica criada pelas pás do rotor. Quando a corrente de ar circula através destas, a pressão em um dos lados das pás diminui, originando uma ''driving-force'' que causa um efeito de arrastamento e elevação das pás. Como a força de elevação é superior à de arrastamento, o rotor começa a girar, e, estando conectado a um gerador (direta ou indiretamente), permite que este transforme a energia mecânica em energia elétrica. <ref>[https://www.energy.gov/eere/wind/how-do-wind-turbines-work Autor Desconhecido. (s.d.). How Do Wind Turbines Work?. ''Office of Energy & Renewable Energy''. Consultado em 19 de fevereiro de 2019.]</ref>

Nas turbinas eólicas mais antigas, o gerado encontra-se ligado indiretamente ao rotor, através de condutas e de uma caixa de transmissão (''gearbox)''. Nestes casos, os rolamentos e engrenagens existentes na ''gearbox'' estão sujeitos a tensões extremas, derivadas da turbulência do ar, tornando a manutenção deste componente da turbina uma tarefa frequente e de elevada importância. Em turbinas mais recentes, a ligação entre o rotor e o gerador é feita diretamente, removendo os componentes anteriormente mencionados, o que a torna mais confiável em termos de desempenho. No entanto, utilizando este método de conexão, existem problemas associados ao custo e ao peso do gerador, uma vez que se utilizam geradores de alta velocidade. <ref>Lindsay Morris. (2011). [https://www.power-eng.com/articles/print/volume-115/issue-3/features/direct-drive-vs-gearbox-progress-on-both-fronts.html Direct Drive vs. Gearbox: Progress on Both Fronts]. ''Power Engineering.'' Consultado em 19 de fevereiro de 2019.</ref>
[[Ficheiro:Ligacao direta.jpg|miniaturadaimagem|Turbina com ligação direta. Fonte: [https://www.power-eng.com/articles/print/volume-115/issue-3/features/direct-drive-vs-gearbox-progress-on-both-fronts.html ''Power Engineering''] ]]
 
[[Ficheiro:Gearbox.jpg|miniaturadaimagem|Turbina Eólica com ''gearbox''. Fonte: ''[https://www.power-eng.com/articles/print/volume-115/issue-3/features/direct-drive-vs-gearbox-progress-on-both-fronts.html Power Engineering]'']]

'''Tipos de turbinas'''

'''Eixo Horizontal (HAWT)'''

São o tipo de turbinas eólicas mais comuns e, como o nome indica, o eixo encontra-se na posição horizontal. No mesmo plano estão o rotor, gearbox e gerador, posicionados no topo da torre. As HAWT têm como principal desvantagem o facto de as pás terem de estar apontadas na direção do vento. A regulação da sua posição é feita automaticamente por computadores com recurso a sensores. As pás são posicionadas de forma estratégica para evitar problemas que possam surgir com a grande turbulência gerada, são colocadas por exemplo contra o vento e a uma determinada distancia, na frente da torre, para o caso das pás se inclinarem com a turbulência. As HAWT são as que mais energia produzem, visto que as pás estão na perpendicular à direção do vento e todas trabalham. Nos grandes parques eólicos são frequentes as turbinas de 3 pás que são as que melhor conseguem conciliar a velocidade das pás com a estabilidade da estrutura. A maior altura e comprimento das pás favorece a geração de energia. Os grandes custos iniciais e de manutenção, são as suas principais desvantagens.
[[Ficheiro:Tabela turbinas.png|miniaturadaimagem|Comparação entre turbinas de eixo horizontal e vertical. Fonte: [http://www.windturbinestar.com/hawt-vs-vawt.html Aeolos]|279x279px]]
'''Eixo Vertical'''

O eixo rotacional encontra-se na posição vertical, perpendicular ao solo. Neste género de turbinas destacam-se as do tipo Savonius e Darrieus, as quais funcionam a partir de forças de arrasto e de sustentação, respetivamente. Estas possuem o gerador e a ''gearbox'' na base da turbina, junto ao solo, o que é um fator vantajoso para a sua acessibilidade e manutenção. Umas das principais características destas turbinas é a sua independência em relação à direção do vento, não necessitando de mecanismos para apontar as turbinas ou de pitch, permitindo também a sua instalação em locais onde a direção do vento não é constante. A sua integração em edifícios também é possível. Fácil instalação e transporte são outras das vantagens.

As suas desvantagens prendem-se com as suas baixas velocidades de rotação, baixas eficiências, já que apenas uma lamina trabalha (em comparação com HAWT onde todas contribuem para a geração elétrica) e necessidade de um impulso inicial.
[[Ficheiro:Darrieus1.jpg|miniaturadaimagem|172x172px|Turbina Darrieus. Fonte: [http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica1.htm UOL]|esquerda]]

'''Eficiência''' <ref name=":0" />

De acordo com o princípio da conservação da massa, a quantidade de ar que entra na turbina tem de ser igual à que sai da mesma, limitando a eficiência das mesmas a 59,3% da energia cinética total associada ao ar circulante. Este valor foi obtido através da equação de Bertz, que traduz a máxima potência que é possível obter a partir de uma corrente de ar.

Assim, considerando a eficiência máxima e a equação que traduz a energia cinética, e sabendo a velocidade do ar, var, e a sua densidade, ρar, a potência máxima que pode ser obtida numa turbina eólica é dada por:
[[Ficheiro:Equacao.png|centro|miniaturadaimagem|Equação que permite determinar a potência de um aerogerador]]
Sendo A a área efetiva do rotor. Há, ainda, outros fatores que afetam o valor final da potência, entre os quais a fricção entre as pás da turbina, e ainda perdas na conversão de energia cinética em energia mecânica, associadas ao rotor.

'''Vantagens e desvantagens'''

As principais vantagens do uso de energia proveniente das turbinas eólicas são o facto de serem de uma fonte renovável e não poluente. Existem outras vantagens que estão relacionadas direta ou indiretamente com o uso das turbinas eólicas, tais como:

- Diminuição da dependência de combustíveis fósseis;

- Diminui a emissão de gases de efeito de estufa;

- Criação de emprego;

- Principais desvantagens:

- Dependência da presença de vento;

- Poluição visual e sonora;

- Podem afetar o ecossistema de algumas aves;

- Podem causar erosão no solo.

[[Ficheiro:Produção.png|miniaturadaimagem|Produção de eletricidade por fonte em Portugal, 2017. Fonte: [http://www.apren.pt/pt/dadostecnicos/index.php?id=1147&cat=266 APREN]|250x250px]]
'''Situação em Portugal'''

Atualmente Portugal produz mais de 5 GW de energia eólica, constituindo 22% da produção elétrica em Portugal. Em 2013 ocupava a sétima posição no ranking de produção de energia eólica na Europa.

A energia eólica começou a ser produzia em Portugal em 1986 com a criação do primeiro parque eólico na ilha de Porto santo, e em Portugal continental em 1992 no parque eólico de Sines. Em 2013 Portugal tinha já mais de 2500 aerogeradores, sendo Viseu o distrito que mais energia eólica produz.

De acordo com a APREN – Associação Portuguesa de Energias Renováveis, em 2016 existiam, no total, cerca de 2600 turbinas eólicas instaladas, associadas a uma potência mecânica de aproximadamente 5300 MW.
[[Ficheiro:APREN.png|miniaturadaimagem|Evolução do sector eólico, até 2016. Fonte: [https://www.apren.pt/contents/files/tempodevida-eolica-21-11-2017.pdf APREN]]]
Devido à situação geográfica e geomorfológica do País, existe um restrito número de locais onde a instalação das turbinas é eficiente e economicamente viável. Tratam-se de áreas montanhosas, onde a velocidade e regularidade do vento permitem um bom aproveitamento energético, essencialmente em zonas próximas da costa (norte do Tejo e Costa Vicentina, são exemplos de locais com as características necessárias para a instalação). <ref>Autor Desconhecido. (2017). [https://www.apren.pt/contents/files/tempodevida-eolica-21-11-2017.pdf O Futuro do Sector Eólico: Extensão de Vida e Repowering das Centrais Eólicas.] ''APREN – Associação Portuguesa de Energias Renováveis.'' Consultado em 20 de fevereiro de 2019.</ref>

'''Custos da Energia Elétrica'''<ref> Autor Desconhecido. (s.d.). [http://www.dgeg.gov.pt/?cn=636364427558AAAAAAAAAAAA Energia Eólica]. ''DGEG – Direção-Geral de Energia e Geologia''. Consultado em 20 fevereiro de 2019.</ref>

Segundo a DGEG – Direção Geral de Energia e Geologia, os custos associados à produção de energia são determinados por:

*Investimento (aerogerador, fundações, integração na rede)
*Tempo de vida útil da turbina eólica (20 a 25 anos)
*Custos de exploração e manutenção
*Quantidade de energia produzida consoante a velocidade média do vento

 
[[Ficheiro:Futura.png|miniaturadaimagem|264x264px|Produção Futura em Portugal. Fonte: [http://www.apren.pt/pt/dados-tecnicos-3/dados-nacionais-2/resumo-do-estudo-impacto-macroeconomico-do-setor-da-eletricidade-de-origem-renovavel-em-portugal-2/evolucao-do-sector-da-eletricidade-renovavel-em-portugal-2/evolucao-da-potencia-instalada-em-renovaveis-por-tecnologia-mw/ Apren]]]

'''Referências'''

http://pt.hidroerg.pt/energia-eoacutelica.html

https://www.palpitedigital.com/como-funcionam-turbinas-eolicas-geracao-energia/

https://pt.wikipedia.org/wiki/Aerogerador

https://evolucaoenergiaeolica.wordpress.com/aerogerador-de-eixo-horizontal/

http://www.solar.coppe.ufrj.br/eolica/eol_txt.htm

http://www.green-mechanic.com/2013/03/horizontal-axis-wind-turbine.html

http://www.green-mechanic.com/2013/03/vertical-axis-wind-turbine.html

'''Realizado por''': Inês Inocêncio e Telmo Rodrigues, no âmbito da disciplina de Integração e Intensificação de Processos, pertencente ao Mestrado Integrado em Engenharia Química (Departamento de Engenharia Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2016/2017).

'''Revisão, edição e atualização''' por António Aragão e Fábio Ribeiro. 17 de abril de 2019. Integração e Intensificação de Processos, Mestrado Integrado em Engenharia Química

[[Categoria:Utilidades industriais]]
<references />

Turbinas eólicas

2019-04-17T16:45:36Z

AntonioFigueiredo:

Turbinas eólicas

2019-04-17T16:44:59Z

AntonioFigueiredo:

'''Turbinas eólicas'''

'''As turbinas eólicas,''' ou aerogeradores, são equipamentos capazes de converter a energia cinética do ar (que se desloca devido às diferenças de pressão atmosférica terrestre, causadas por diferenças de temperatura na superfície terrestre – é uma energia derivada da solar em energia elétrica – utilidade usada em praticamente todas as ações industriais e do quotidiano. As turbinas eólicas são compostas por pás, como um cata-vento, que o vento faz girar, convertendo a energia cinética deste em energia mecânica. As pás estão ligadas a um eixo que, por sua vez, está ligado a um gerador, sendo nele que é feita a conversão de energia mecânica em energia elétrica. As turbinas são geralmente instaladas na forma de parques eólicos, com vários aerogeradores de grandes dimensões.

A energia gerada pelas turbinas eólicas depende da densidade do ar, da área das pás e principalmente da velocidade do vento – a energia potencial da turbina depende do cubo da velocidade do vento perpendicular às pás–. A energia máxima passível de ser retirada do vento com aerogeradores está limitada 59.3% (16/27). Este valor foi determinado pelo físico alemão Albert Betz, e é chamado limite ou lei de Betz.

Por esta razão os parques eólicos são geralmente instalados em zonas ventosas, onde o potencial eólico é maior, sobre torres elevadas (onde o vento não é tão afetado pelo relevo do solo). Os aerogeradores podem também ser instalados no mar, onde a presença de vento é mais regular. Normalmente só é adequado fazer parques eólicos para velocidade de vento superiores a 4 m/s, permitindo assim classificar as turbinas através do parâmetro .WPD (''Wind Power Density)''.

Estas turbinas são responsáveis pela produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis, não poluentes e que reduzem a dependência de combustíveis fosseis.

'''''Wind Power Density'' (WPD)''' <ref name=":0">Autor Desconhecido. (s.d.). [[wikipedia:Wind_turbine|Turbinas Eólicas (Wikipédia)]]. Wikipédia. Consultado em 19 de fevereiro de 2019</ref>

O WPD trata-se de uma medida quantitativa da energia eólica disponível numa região, determinada através da média anual de energia disponível por metro quadrado. Este parâmetro permite classificar as turbinas eólicas, numa escala de I a III, consoante a velocidade média do vento para a qual foram projetadas, indicando ainda a intensidade da turbulência suportadas, através das letras A, B e C.
{| class="wikitable"
|+'''Classificação das turbinas eólicas consoante a velocidade média do vento'''
!Class
!Avg Wind Speed (m/s)
!Turbulence (%)
|-
|IA
|10
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|7.5
|14
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|IIIC
|7.5
|12
|}
 
[[Ficheiro:GE-turbine.gif|miniaturadaimagem|Fonte: [https://www.gerenewableenergy.com/wind-energy/turbines.html GE Renewable Energy]]]
'''Constituição'''

Os aerogeradores têm vários componentes. Os componentes fundamentais são o eixo ou rotor, um gerador elétrico e respetivo sistema de controlo, e a torre de suporte. O rotor é o componente destinado a converter a energia cinética do vento em energia mecânica, e pode ser de 2 tipos. Dependendo do tipo de rotor têm-se 2 aerogeradores diferentes. Este equipamento engloba também as pás, que podem ser de madeira, alumínio, aço, fibra de vidro, fibra de carbono e/ou Kevlar™. A área das pás é fundamental na quantidade de energia que o aerogerador consegue produzir. O rotor pode rodar sobre o seu próprio eixo, mas permite também que o plano das pás faça um certo ângulo com a horizontal, adaptando-se à direção do vento. As pás também podem rodar ligeiramente sobre o seu próprio eixo.

O gerador é o elemento responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica.

Algumas das características das turbinas eólicas são essenciais ao funcionamento das mesmas, de modo a garantir a eficiência de operação dentro da gama de valores possíveis, bem como a correta distribuição para a rede de energia. São estas as seguintes:<ref>Autor desconhecido. (s.d.). [https://www.acciona.com/renewable-energy/wind-power/wind-turbines/ Wind Turbines]. ''Acciona.'' Consultado em 20 de fevereiro de 2019.</ref>

*'''Orientação automática''' As turbinas eólicas orientam-se automaticamente para tirar o maior proveito da energia cinética do vento. Estas movem-se sobre um eixo localizado no topo da torre.
*'''Movimento das pás''' Através da ação do vento, as pás começam-se a deslocar a partir de velocidades de cerca de 3,5 m/s e atingem um máximo de eficiência para velocidades na ordem dos 11 m/s. Em casos de ventos extremos (25 m/s ou superior), existe um mecanismo de segurança que abranda as pás e, consequentemente, a produção de energia, por forma a evitar voltagens excessivas.

*'''Transporte da energia gerada'''

A energia produzida é encaminhada até à base do aerogerador, e posteriormente conduzida até uma sub-estação, onde se aumenta a sua voltagem para permitir a incorporação na rede elétrica e assim a sua distribuição e uso. Todo este processo pode ser esquematizado pela figura, abaixo.
[[Ficheiro:Subestacao.png|centro|miniaturadaimagem|580x580px|Esquema do trajeto de produção, incorporação e distribuição de energia elétrica na rede. Fonte: ''[https://www.energy.gov/eere/wind/how-do-wind-turbines-work Office of Energy and Renewable Energy]'']]

*'''Controlo e Monitorização''' Todas as funções críticas das turbinas eólicas são monitorizadas e supervisionadas na subestação e no centro de controlo, de forma a detetar e resolver quaisquer falhas ou incidentes que se possam verificar. Existe ainda, no topo do aerogerador, um aparelho de registo de informação relativa às correntes de vento (velocidade e direção).

'''Princípios de Funcionamento'''

A transformação da energia fornecida pelo vento em energia elétrica dá-se a partir da força aerodinâmica criada pelas pás do rotor. Quando a corrente de ar circula através destas, a pressão em um dos lados das pás diminui, originando uma ''driving-force'' que causa um efeito de arrastamento e elevação das pás. Como a força de elevação é superior à de arrastamento, o rotor começa a girar, e, estando conectado a um gerador (direta ou indiretamente), permite que este transforme a energia mecânica em energia elétrica. <ref>[https://www.energy.gov/eere/wind/how-do-wind-turbines-work Autor Desconhecido. (s.d.). How Do Wind Turbines Work?. ''Office of Energy & Renewable Energy''. Consultado em 19 de fevereiro de 2019.]</ref>

Nas turbinas eólicas mais antigas, o gerado encontra-se ligado indiretamente ao rotor, através de condutas e de uma caixa de transmissão (''gearbox)''. Nestes casos, os rolamentos e engrenagens existentes na ''gearbox'' estão sujeitos a tensões extremas, derivadas da turbulência do ar, tornando a manutenção deste componente da turbina uma tarefa frequente e de elevada importância. Em turbinas mais recentes, a ligação entre o rotor e o gerador é feita diretamente, removendo os componentes anteriormente mencionados, o que a torna mais confiável em termos de desempenho. No entanto, utilizando este método de conexão, existem problemas associados ao custo e ao peso do gerador, uma vez que se utilizam geradores de alta velocidade. <ref>Lindsay Morris. (2011). [https://www.power-eng.com/articles/print/volume-115/issue-3/features/direct-drive-vs-gearbox-progress-on-both-fronts.html Direct Drive vs. Gearbox: Progress on Both Fronts]. ''Power Engineering.'' Consultado em 19 de fevereiro de 2019.</ref>
[[Ficheiro:Ligacao direta.jpg|miniaturadaimagem|Turbina com ligação direta. Fonte: [https://www.power-eng.com/articles/print/volume-115/issue-3/features/direct-drive-vs-gearbox-progress-on-both-fronts.html ''Power Engineering''] ]]
 
[[Ficheiro:Gearbox.jpg|miniaturadaimagem|Turbina Eólica com ''gearbox''. Fonte: ''[https://www.power-eng.com/articles/print/volume-115/issue-3/features/direct-drive-vs-gearbox-progress-on-both-fronts.html Power Engineering]'']]

'''Tipos de turbinas'''

'''Eixo Horizontal (HAWT)'''

São o tipo de turbinas eólicas mais comuns e, como o nome indica, o eixo encontra-se na posição horizontal. No mesmo plano estão o rotor, gearbox e gerador, posicionados no topo da torre. As HAWT têm como principal desvantagem o facto de as pás terem de estar apontadas na direção do vento. A regulação da sua posição é feita automaticamente por computadores com recurso a sensores. As pás são posicionadas de forma estratégica para evitar problemas que possam surgir com a grande turbulência gerada, são colocadas por exemplo contra o vento e a uma determinada distancia, na frente da torre, para o caso das pás se inclinarem com a turbulência. As HAWT são as que mais energia produzem, visto que as pás estão na perpendicular à direção do vento e todas trabalham. Nos grandes parques eólicos são frequentes as turbinas de 3 pás que são as que melhor conseguem conciliar a velocidade das pás com a estabilidade da estrutura. A maior altura e comprimento das pás favorece a geração de energia. Os grandes custos iniciais e de manutenção, são as suas principais desvantagens.
[[Ficheiro:Tabela turbinas.png|miniaturadaimagem|Comparação entre turbinas de eixo horizontal e vertical. Fonte: [http://www.windturbinestar.com/hawt-vs-vawt.html Aeolos]|279x279px]]
'''Eixo Vertical'''

O eixo rotacional encontra-se na posição vertical, perpendicular ao solo. Neste género de turbinas destacam-se as do tipo Savonius e Darrieus, as quais funcionam a partir de forças de arrasto e de sustentação, respetivamente. Estas possuem o gerador e a ''gearbox'' na base da turbina, junto ao solo, o que é um fator vantajoso para a sua acessibilidade e manutenção. Umas das principais características destas turbinas é a sua independência em relação à direção do vento, não necessitando de mecanismos para apontar as turbinas ou de pitch, permitindo também a sua instalação em locais onde a direção do vento não é constante. A sua integração em edifícios também é possível. Fácil instalação e transporte são outras das vantagens.

As suas desvantagens prendem-se com as suas baixas velocidades de rotação, baixas eficiências, já que apenas uma lamina trabalha (em comparação com HAWT onde todas contribuem para a geração elétrica) e necessidade de um impulso inicial.
[[Ficheiro:Darrieus1.jpg|miniaturadaimagem|172x172px|Turbina Darrieus. Fonte: [http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica1.htm UOL]|esquerda]]

'''Eficiência''' <ref name=":0" />

De acordo com o princípio da conservação da massa, a quantidade de ar que entra na turbina tem de ser igual à que sai da mesma, limitando a eficiência das mesmas a 59,3% da energia cinética total associada ao ar circulante. Este valor foi obtido através da equação de Bertz, que traduz a máxima potência que é possível obter a partir de uma corrente de ar.

Assim, considerando a eficiência máxima e a equação que traduz a energia cinética, e sabendo a velocidade do ar, var, e a sua densidade, ρar, a potência máxima que pode ser obtida numa turbina eólica é dada por:
[[Ficheiro:Equacao.png|centro|miniaturadaimagem|Equação que permite determinar a potência de um aerogerador]]
Sendo A a área efetiva do rotor. Há, ainda, outros fatores que afetam o valor final da potência, entre os quais a fricção entre as pás da turbina, e ainda perdas na conversão de energia cinética em energia mecânica, associadas ao rotor.

'''Vantagens e desvantagens'''

As principais vantagens do uso de energia proveniente das turbinas eólicas são o facto de serem de uma fonte renovável e não poluente. Existem outras vantagens que estão relacionadas direta ou indiretamente com o uso das turbinas eólicas, tais como:

- Diminuição da dependência de combustíveis fósseis;

- Diminui a emissão de gases de efeito de estufa;

- Criação de emprego;

- Principais desvantagens:

- Dependência da presença de vento;

- Poluição visual e sonora;

- Podem afetar o ecossistema de algumas aves;

- Podem causar erosão no solo.

[[Ficheiro:Produção.png|miniaturadaimagem|Produção de eletricidade por fonte em Portugal, 2017. Fonte: [http://www.apren.pt/pt/dadostecnicos/index.php?id=1147&cat=266 APREN]|250x250px]]
'''Situação em Portugal'''

Atualmente Portugal produz mais de 5 GW de energia eólica, constituindo 22% da produção elétrica em Portugal. Em 2013 ocupava a sétima posição no ranking de produção de energia eólica na Europa.

A energia eólica começou a ser produzia em Portugal em 1986 com a criação do primeiro parque eólico na ilha de Porto santo, e em Portugal continental em 1992 no parque eólico de Sines. Em 2013 Portugal tinha já mais de 2500 aerogeradores, sendo Viseu o distrito que mais energia eólica produz.

De acordo com a APREN – Associação Portuguesa de Energias Renováveis, em 2016 existiam, no total, cerca de 2600 turbinas eólicas instaladas, associadas a uma potência mecânica de aproximadamente 5300 MW.
[[Ficheiro:APREN.png|miniaturadaimagem|Evolução do sector eólico, até 2016. Fonte: [https://www.apren.pt/contents/files/tempodevida-eolica-21-11-2017.pdf APREN]]]
Devido à situação geográfica e geomorfológica do País, existe um restrito número de locais onde a instalação das turbinas é eficiente e economicamente viável. Tratam-se de áreas montanhosas, onde a velocidade e regularidade do vento permitem um bom aproveitamento energético, essencialmente em zonas próximas da costa (norte do Tejo e Costa Vicentina, são exemplos de locais com as características necessárias para a instalação). <ref>Autor Desconhecido. (2017). [https://www.apren.pt/contents/files/tempodevida-eolica-21-11-2017.pdf O Futuro do Sector Eólico: Extensão de Vida e Repowering das Centrais Eólicas.] ''APREN – Associação Portuguesa de Energias Renováveis.'' Consultado em 20 de fevereiro de 2019.</ref>

'''Custos da Energia Elétrica'''<ref> Autor Desconhecido. (s.d.). [http://www.dgeg.gov.pt/?cn=636364427558AAAAAAAAAAAA Energia Eólica]. ''DGEG – Direção-Geral de Energia e Geologia''. Consultado em 20 fevereiro de 2019.</ref>

Segundo a DGEG – Direção Geral de Energia e Geologia, os custos associados à produção de energia são determinados por:

*Investimento (aerogerador, fundações, integração na rede)
*Tempo de vida útil da turbina eólica (20 a 25 anos)
*Custos de exploração e manutenção
*Quantidade de energia produzida consoante a velocidade média do vento

 
[[Ficheiro:Futura.png|miniaturadaimagem|264x264px|Produção Futura em Portugal. Fonte: [http://www.apren.pt/pt/dados-tecnicos-3/dados-nacionais-2/resumo-do-estudo-impacto-macroeconomico-do-setor-da-eletricidade-de-origem-renovavel-em-portugal-2/evolucao-do-sector-da-eletricidade-renovavel-em-portugal-2/evolucao-da-potencia-instalada-em-renovaveis-por-tecnologia-mw/ Apren]]]

'''Referências'''

http://pt.hidroerg.pt/energia-eoacutelica.html

https://www.palpitedigital.com/como-funcionam-turbinas-eolicas-geracao-energia/

https://pt.wikipedia.org/wiki/Aerogerador

https://evolucaoenergiaeolica.wordpress.com/aerogerador-de-eixo-horizontal/

http://www.solar.coppe.ufrj.br/eolica/eol_txt.htm

http://www.green-mechanic.com/2013/03/horizontal-axis-wind-turbine.html

http://www.green-mechanic.com/2013/03/vertical-axis-wind-turbine.html

'''Realizado por''': Inês Inocêncio e Telmo Rodrigues, no âmbito da disciplina de Integração e Intensificação de Processos, pertencente ao Mestrado Integrado em Engenharia Química (Departamento de Engenharia Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2016/2017).

'''Revisão, edição e atualização''' por António Aragão e Fábio Ribeiro. 17 de abril de 2019. Integração e Intensificação de Processos, Mestrado Integrado em Engenharia Química

[[Categoria:Utilidades industriais]]
<references />

Turbinas eólicas

2019-04-17T16:42:23Z

AntonioFigueiredo: Fim da edição. Atualização da situação em Portugal, características dos componentes e novas informacoes provenientes da Tarefa 1 de IIP. Correção de hiperligações já existentes. Todas as fontes utilizadas nesta edicao foram incluidas.

'''Turbinas eólicas'''

'''As turbinas eólicas,''' ou aerogeradores, são equipamentos capazes de converter a energia cinética do ar (que se desloca devido às diferenças de pressão atmosférica terrestre, causadas por diferenças de temperatura na superfície terrestre – é uma energia derivada da solar em energia elétrica – utilidade usada em praticamente todas as ações industriais e do quotidiano. As turbinas eólicas são compostas por pás, como um cata-vento, que o vento faz girar, convertendo a energia cinética deste em energia mecânica. As pás estão ligadas a um eixo que, por sua vez, está ligado a um gerador, sendo nele que é feita a conversão de energia mecânica em energia elétrica. As turbinas são geralmente instaladas na forma de parques eólicos, com vários aerogeradores de grandes dimensões.

A energia gerada pelas turbinas eólicas depende da densidade do ar, da área das pás e principalmente da velocidade do vento – a energia potencial da turbina depende do cubo da velocidade do vento perpendicular às pás–. A energia máxima passível de ser retirada do vento com aerogeradores está limitada 59.3% (16/27). Este valor foi determinado pelo físico alemão Albert Betz, e é chamado limite ou lei de Betz.

Por esta razão os parques eólicos são geralmente instalados em zonas ventosas, onde o potencial eólico é maior, sobre torres elevadas (onde o vento não é tão afetado pelo relevo do solo). Os aerogeradores podem também ser instalados no mar, onde a presença de vento é mais regular. Normalmente só é adequado fazer parques eólicos para velocidade de vento superiores a 4 m/s, permitindo assim classificar as turbinas através do parâmetro .WPD (''Wind Power Density)''.

Estas turbinas são responsáveis pela produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis, não poluentes e que reduzem a dependência de combustíveis fosseis.

'''''Wind Power Density'' (WPD)''' <ref name=":0">Autor Desconhecido. (s.d.). [[wikipedia:Wind_turbine|Turbinas Eólicas (Wikipédia)]]. Wikipédia. Consultado em 19 de fevereiro de 2019</ref>

O WPD trata-se de uma medida quantitativa da energia eólica disponível numa região, determinada através da média anual de energia disponível por metro quadrado. Este parâmetro permite classificar as turbinas eólicas, numa escala de I a III, consoante a velocidade média do vento para a qual foram projetadas, indicando ainda a intensidade da turbulência suportadas, através das letras A, B e C.
{| class="wikitable"
|+'''Classificação das turbinas eólicas consoante a velocidade média do vento'''
!Class
!Avg Wind Speed (m/s)
!Turbulence (%)
|-
|IA
|10
|16
|-
|IB
|10
|14
|-
|IC
|10
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|IIA
|8.5
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|IIC
|8.5
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|IIIA
|7.5
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|IIIB
|7.5
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|-
|IIIC
|7.5
|12
|}
 
[[Ficheiro:GE-turbine.gif|miniaturadaimagem|Fonte: [https://www.gerenewableenergy.com/wind-energy/turbines.html GE Renewable Energy]]]
'''Constituição'''

Os aerogeradores têm vários componentes. Os componentes fundamentais são o eixo ou rotor, um gerador elétrico e respetivo sistema de controlo, e a torre de suporte. O rotor é o componente destinado a converter a energia cinética do vento em energia mecânica, e pode ser de 2 tipos. Dependendo do tipo de rotor têm-se 2 aerogeradores diferentes. Este equipamento engloba também as pás, que podem ser de madeira, alumínio, aço, fibra de vidro, fibra de carbono e/ou Kevlar™. A área das pás é fundamental na quantidade de energia que o aerogerador consegue produzir. O rotor pode rodar sobre o seu próprio eixo, mas permite também que o plano das pás faça um certo ângulo com a horizontal, adaptando-se à direção do vento. As pás também podem rodar ligeiramente sobre o seu próprio eixo.

O gerador é o elemento responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica.

Algumas das características das turbinas eólicas são essenciais ao funcionamento das mesmas, de modo a garantir a eficiência de operação dentro da gama de valores possíveis, bem como a correta distribuição para a rede de energia. São estas as seguintes:<ref>Autor desconhecido. (s.d.). [https://www.acciona.com/renewable-energy/wind-power/wind-turbines/ Wind Turbines]. ''Acciona.'' Consultado em 20 de fevereiro de 2019.</ref>

* '''Orientação automática''' As turbinas eólicas orientam-se automaticamente para tirar o maior proveito da energia cinética do vento. Estas movem-se sobre um eixo localizado no topo da torre.
* '''Movimento das pás''' Através da ação do vento, as pás começam-se a deslocar a partir de velocidades de cerca de 3,5 m/s e atingem um máximo de eficiência para velocidades na ordem dos 11 m/s. Em casos de ventos extremos (25 m/s ou superior), existe um mecanismo de segurança que abranda as pás e, consequentemente, a produção de energia, por forma a evitar voltagens excessivas.

* '''Transporte da energia gerada'''

A energia produzida é encaminhada até à base do aerogerador, e posteriormente conduzida até uma sub-estação, onde se aumenta a sua voltagem para permitir a incorporação na rede elétrica e assim a sua distribuição e uso. Todo este processo pode ser esquematizado pela figura, abaixo.
[[Ficheiro:Subestacao.png|centro|miniaturadaimagem|580x580px|Esquema do trajeto de produção, incorporação e distribuição de energia elétrica na rede. Fonte: ''[https://www.energy.gov/eere/wind/how-do-wind-turbines-work Office of Energy and Renewable Energy]'']]

* '''Controlo e Monitorização''' Todas as funções críticas das turbinas eólicas são monitorizadas e supervisionadas na subestação e no centro de controlo, de forma a detetar e resolver quaisquer falhas ou incidentes que se possam verificar. Existe ainda, no topo do aerogerador, um aparelho de registo de informação relativa às correntes de vento (velocidade e direção).

'''Princípios de Funcionamento'''

A transformação da energia fornecida pelo vento em energia elétrica dá-se a partir da força aerodinâmica criada pelas pás do rotor. Quando a corrente de ar circula através destas, a pressão em um dos lados das pás diminui, originando uma ''driving-force'' que causa um efeito de arrastamento e elevação das pás. Como a força de elevação é superior à de arrastamento, o rotor começa a girar, e, estando conectado a um gerador (direta ou indiretamente), permite que este transforme a energia mecânica em energia elétrica. <ref>[https://www.energy.gov/eere/wind/how-do-wind-turbines-work Autor Desconhecido. (s.d.). How Do Wind Turbines Work?. ''Office of Energy & Renewable Energy''. Consultado em 19 de fevereiro de 2019.]</ref>

Nas turbinas eólicas mais antigas, o gerado encontra-se ligado indiretamente ao rotor, através de condutas e de uma caixa de transmissão (''gearbox)''. Nestes casos, os rolamentos e engrenagens existentes na ''gearbox'' estão sujeitos a tensões extremas, derivadas da turbulência do ar, tornando a manutenção deste componente da turbina uma tarefa frequente e de elevada importância. Em turbinas mais recentes, a ligação entre o rotor e o gerador é feita diretamente, removendo os componentes anteriormente mencionados, o que a torna mais confiável em termos de desempenho. No entanto, utilizando este método de conexão, existem problemas associados ao custo e ao peso do gerador, uma vez que se utilizam geradores de alta velocidade. <ref>Lindsay Morris. (2011). [https://www.power-eng.com/articles/print/volume-115/issue-3/features/direct-drive-vs-gearbox-progress-on-both-fronts.html Direct Drive vs. Gearbox: Progress on Both Fronts]. ''Power Engineering.'' Consultado em 19 de fevereiro de 2019.</ref>
[[Ficheiro:Ligacao direta.jpg|miniaturadaimagem|Turbina com ligação direta. Fonte: [https://www.power-eng.com/articles/print/volume-115/issue-3/features/direct-drive-vs-gearbox-progress-on-both-fronts.html ''Power Engineering''] ]]
 
[[Ficheiro:Gearbox.jpg|miniaturadaimagem|Turbina Eólica com ''gearbox''. Fonte: ''[https://www.power-eng.com/articles/print/volume-115/issue-3/features/direct-drive-vs-gearbox-progress-on-both-fronts.html Power Engineering]'']]

'''Tipos de turbinas'''

'''Eixo Horizontal (HAWT)'''

São o tipo de turbinas eólicas mais comuns e, como o nome indica, o eixo encontra-se na posição horizontal. No mesmo plano estão o rotor, gearbox e gerador, posicionados no topo da torre. As HAWT têm como principal desvantagem o facto de as pás terem de estar apontadas na direção do vento. A regulação da sua posição é feita automaticamente por computadores com recurso a sensores. As pás são posicionadas de forma estratégica para evitar problemas que possam surgir com a grande turbulência gerada, são colocadas por exemplo contra o vento e a uma determinada distancia, na frente da torre, para o caso das pás se inclinarem com a turbulência. As HAWT são as que mais energia produzem, visto que as pás estão na perpendicular à direção do vento e todas trabalham. Nos grandes parques eólicos são frequentes as turbinas de 3 pás que são as que melhor conseguem conciliar a velocidade das pás com a estabilidade da estrutura. A maior altura e comprimento das pás favorece a geração de energia. Os grandes custos iniciais e de manutenção, são as suas principais desvantagens.
[[Ficheiro:Tabela turbinas.png|miniaturadaimagem|Comparação entre turbinas de eixo horizontal e vertical. Fonte: [http://www.windturbinestar.com/hawt-vs-vawt.html Aeolos]|279x279px]]
'''Eixo Vertical'''

O eixo rotacional encontra-se na posição vertical, perpendicular ao solo. Neste género de turbinas destacam-se as do tipo Savonius e Darrieus, as quais funcionam a partir de forças de arrasto e de sustentação, respetivamente. Estas possuem o gerador e a ''gearbox'' na base da turbina, junto ao solo, o que é um fator vantajoso para a sua acessibilidade e manutenção. Umas das principais características destas turbinas é a sua independência em relação à direção do vento, não necessitando de mecanismos para apontar as turbinas ou de pitch, permitindo também a sua instalação em locais onde a direção do vento não é constante. A sua integração em edifícios também é possível. Fácil instalação e transporte são outras das vantagens.

As suas desvantagens prendem-se com as suas baixas velocidades de rotação, baixas eficiências, já que apenas uma lamina trabalha (em comparação com HAWT onde todas contribuem para a geração elétrica) e necessidade de um impulso inicial.
[[Ficheiro:Darrieus1.jpg|miniaturadaimagem|172x172px|Turbina Darrieus. Fonte: [http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica1.htm UOL]|esquerda]]

'''Eficiência''' <ref name=":0" />

De acordo com o princípio da conservação da massa, a quantidade de ar que entra na turbina tem de ser igual à que sai da mesma, limitando a eficiência das mesmas a 59,3% da energia cinética total associada ao ar circulante. Este valor foi obtido através da equação de Bertz, que traduz a máxima potência que é possível obter a partir de uma corrente de ar.

Assim, considerando a eficiência máxima e a equação que traduz a energia cinética, e sabendo a velocidade do ar, var, e a sua densidade, ρar, a potência máxima que pode ser obtida numa turbina eólica é dada por:
[[Ficheiro:Equacao.png|centro|miniaturadaimagem|Equação que permite determinar a potência de um aerogerador]]
Sendo A a área efetiva do rotor. Há, ainda, outros fatores que afetam o valor final da potência, entre os quais a fricção entre as pás da turbina, e ainda perdas na conversão de energia cinética em energia mecânica, associadas ao rotor.

'''Vantagens e desvantagens'''

As principais vantagens do uso de energia proveniente das turbinas eólicas são o facto de serem de uma fonte renovável e não poluente. Existem outras vantagens que estão relacionadas direta ou indiretamente com o uso das turbinas eólicas, tais como:

- Diminuição da dependência de combustíveis fósseis;

- Diminui a emissão de gases de efeito de estufa;

- Criação de emprego;

- Principais desvantagens:

- Dependência da presença de vento;

- Poluição visual e sonora;

- Podem afetar o ecossistema de algumas aves;

- Podem causar erosão no solo.

[[Ficheiro:Produção.png|miniaturadaimagem|Produção de eletricidade por fonte em Portugal, 2017. Fonte: [http://www.apren.pt/pt/dadostecnicos/index.php?id=1147&cat=266 APREN]|250x250px]]
'''Situação em Portugal'''

Atualmente Portugal produz mais de 5 GW de energia eólica, constituindo 22% da produção elétrica em Portugal. Em 2013 ocupava a sétima posição no ranking de produção de energia eólica na Europa.

A energia eólica começou a ser produzia em Portugal em 1986 com a criação do primeiro parque eólico na ilha de Porto santo, e em Portugal continental em 1992 no parque eólico de Sines. Em 2013 Portugal tinha já mais de 2500 aerogeradores, sendo Viseu o distrito que mais energia eólica produz.

De acordo com a APREN – Associação Portuguesa de Energias Renováveis, em 2016 existiam, no total, cerca de 2600 turbinas eólicas instaladas, associadas a uma potência mecânica de aproximadamente 5300 MW.
[[Ficheiro:APREN.png|miniaturadaimagem|Evolução do sector eólico, até 2016. Fonte: [https://www.apren.pt/contents/files/tempodevida-eolica-21-11-2017.pdf APREN]]]
Devido à situação geográfica e geomorfológica do País, existe um restrito número de locais onde a instalação das turbinas é eficiente e economicamente viável. Tratam-se de áreas montanhosas, onde a velocidade e regularidade do vento permitem um bom aproveitamento energético, essencialmente em zonas próximas da costa (norte do Tejo e Costa Vicentina, são exemplos de locais com as características necessárias para a instalação). <ref>Autor Desconhecido. (2017). [https://www.apren.pt/contents/files/tempodevida-eolica-21-11-2017.pdf O Futuro do Sector Eólico: Extensão de Vida e Repowering das Centrais Eólicas.] ''APREN – Associação Portuguesa de Energias Renováveis.'' Consultado em 20 de fevereiro de 2019.</ref>

'''Custos da Energia Elétrica'''<ref> Autor Desconhecido. (s.d.). [http://www.dgeg.gov.pt/?cn=636364427558AAAAAAAAAAAA Energia Eólica]. ''DGEG – Direção-Geral de Energia e Geologia''. Consultado em 20 fevereiro de 2019.</ref>

Segundo a DGEG – Direção Geral de Energia e Geologia, os custos associados à produção de energia são determinados por:

* Investimento (aerogerador, fundações, integração na rede)
* Tempo de vida útil da turbina eólica (20 a 25 anos)
* Custos de exploração e manutenção
* Quantidade de energia produzida consoante a velocidade média do vento

 
[[Ficheiro:Futura.png|miniaturadaimagem|264x264px|Produção Futura em Portugal. Fonte: [http://www.apren.pt/pt/dados-tecnicos-3/dados-nacionais-2/resumo-do-estudo-impacto-macroeconomico-do-setor-da-eletricidade-de-origem-renovavel-em-portugal-2/evolucao-do-sector-da-eletricidade-renovavel-em-portugal-2/evolucao-da-potencia-instalada-em-renovaveis-por-tecnologia-mw/ Apren]]]

'''Referências'''

http://pt.hidroerg.pt/energia-eoacutelica.html

https://www.palpitedigital.com/como-funcionam-turbinas-eolicas-geracao-energia/

https://pt.wikipedia.org/wiki/Aerogerador

https://evolucaoenergiaeolica.wordpress.com/aerogerador-de-eixo-horizontal/

http://www.solar.coppe.ufrj.br/eolica/eol_txt.htm

http://www.green-mechanic.com/2013/03/horizontal-axis-wind-turbine.html

http://www.green-mechanic.com/2013/03/vertical-axis-wind-turbine.html

'''Realizado por''': Inês Inocêncio e Telmo Rodrigues, no âmbito da disciplina de Integração e Intensificação de Processos, pertencente ao Mestrado Integrado em Engenharia Química (Departamento de Engenharia Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2016/2017).

'''Revisão, edição e atualização''' por António Aragão e Fábio Ribeiro. 17 de abril de 2019. Integração e Intensificação de Processos, Mestrado Integrado em Engenharia Química

[[Categoria:Utilidades industriais]]
<references />

Ficheiro:Gearbox.jpg

2019-04-17T16:34:36Z

AntonioFigueiredo:

Turbina eólica com gearbox

Ficheiro:Ligacao direta.jpg

2019-04-17T16:32:13Z

AntonioFigueiredo:

Turbina eólica com ligação direta

Ficheiro:APREN.png

2019-04-17T16:26:58Z

AntonioFigueiredo:

Evolucao do setor eolico ate 2016

Ficheiro:Subestacao.png

2019-04-17T16:13:01Z

AntonioFigueiredo:

Esquema do trajeto de produção, incorporação e distribuição de energia elétrica na rede

Turbinas eólicas

2019-04-17T16:07:20Z

AntonioFigueiredo: Primeira edição, a gravar as primeiras alterações. Acrescentou-se o Wind Power Density, a Eficiência e Principios de Funcionamento.

'''Turbinas eólicas'''

'''As turbinas eólicas,''' ou aerogeradores, são equipamentos capazes de converter a energia cinética do ar (que se desloca devido às diferenças de pressão atmosférica terrestre, causadas por diferenças de temperatura na superfície terrestre – é uma energia derivada da solar em energia elétrica – utilidade usada em praticamente todas as ações industriais e do quotidiano. As turbinas eólicas são compostas por pás, como um cata-vento, que o vento faz girar, convertendo a energia cinética deste em energia mecânica. As pás estão ligadas a um eixo que, por sua vez, está ligado a um gerador, sendo nele que é feita a conversão de energia mecânica em energia elétrica. As turbinas são geralmente instaladas na forma de parques eólicos, com vários aerogeradores de grandes dimensões.

A energia gerada pelas turbinas eólicas depende da densidade do ar, da área das pás e principalmente da velocidade do vento – a energia potencial da turbina depende do cubo da velocidade do vento perpendicular às pás–. A energia máxima passível de ser retirada do vento com aerogeradores está limitada 59.3% (16/27). Este valor foi determinado pelo físico alemão Albert Betz, e é chamado limite ou lei de Betz.

Por esta razão os parques eólicos são geralmente instalados em zonas ventosas, onde o potencial eólico é maior, sobre torres elevadas (onde o vento não é tão afetado pelo relevo do solo). Os aerogeradores podem também ser instalados no mar, onde a presença de vento é mais regular. Normalmente só é adequado fazer parques eólicos para velocidade de vento superiores a 4 m/s, permitindo assim classificar as turbinas através do parâmetro .WPD (''Wind Power Density)''.

Estas turbinas são responsáveis pela produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis, não poluentes e que reduzem a dependência de combustíveis fosseis.

'''''Wind Power Density'' (WPD)''' <ref name=":0">Autor Desconhecido. (s.d.). [[wikipedia:Wind_turbine|Turbinas Eólicas (Wikipédia)]]. Wikipédia. Consultado em 19 de fevereiro de 2019</ref>

O WPD trata-se de uma medida quantitativa da energia eólica disponível numa região, determinada através da média anual de energia disponível por metro quadrado. Este parâmetro permite classificar as turbinas eólicas, numa escala de I a III, consoante a velocidade média do vento para a qual foram projetadas, indicando ainda a intensidade da turbulência suportadas, através das letras A, B e C.
{| class="wikitable"
|+'''Classificação das turbinas eólicas consoante a velocidade média do vento'''
!Class
!Avg Wind Speed (m/s)
!Turbulence (%)
|-
|IA
|10
|16
|-
|IB
|10
|14
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|10
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|IIA
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|IIIA
|7.5
|16
|-
|IIIB
|7.5
|14
|-
|IIIC
|7.5
|12
|}
 
[[Ficheiro:GE-turbine.gif|miniaturadaimagem|Fonte: https://www.gerenewableenergy.com/wind-energy/turbines.html]]
'''Constituição'''

Os aerogeradores têm vários componentes. Os componentes fundamentais são o eixo ou rotor, um gerador elétrico e respetivo sistema de controlo, e a torre de suporte. O rotor é o componente destinado a converter a energia cinética do vento em energia mecânica, e pode ser de 2 tipos. Dependendo do tipo de rotor têm-se 2 aerogeradores diferentes. Este equipamento engloba também as pás, que podem ser de madeira, alumínio, aço, fibra de vidro, fibra de carbono e/ou Kevlar™. A área das pás é fundamental na quantidade de energia que o aerogerador consegue produzir. O rotor pode rodar sobre o seu próprio eixo, mas permite também que o plano das pás faça um certo ângulo com a horizontal, adaptando-se à direção do vento. As pás também podem rodar ligeiramente sobre o seu próprio eixo.

O gerador é o elemento responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica.

'''Princípios de Funcionamento'''

A transformação da energia fornecida pelo vento em energia elétrica dá-se a partir da força aerodinâmica criada pelas pás do rotor. Quando a corrente de ar circula através destas, a pressão em um dos lados das pás diminui, originando uma ''driving-force'' que causa um efeito de arrastamento e elevação das pás. Como a força de elevação é superior à de arrastamento, o rotor começa a girar, e, estando conectado a um gerador (direta ou indiretamente), permite que este transforme a energia mecânica em energia elétrica. <ref>[https://www.energy.gov/eere/wind/how-do-wind-turbines-work Autor Desconhecido. (s.d.). How Do Wind Turbines Work?. ''Office of Energy & Renewable Energy''. Consultado em 19 de fevereiro de 2019.]</ref>

Nas turbinas eólicas mais antigas, o gerado encontra-se ligado indiretamente ao rotor, através de condutas e de uma caixa de transmissão (''gearbox)''. Nestes casos, os rolamentos e engrenagens existentes na ''gearbox'' estão sujeitos a tensões extremas, derivadas da turbulência do ar, tornando a manutenção deste componente da turbina uma tarefa frequente e de elevada importância. Em turbinas mais recentes, a ligação entre o rotor e o gerador é feita diretamente, removendo os componentes anteriormente mencionados, o que a torna mais confiável em termos de desempenho. No entanto, utilizando este método de conexão, existem problemas associados ao custo e ao peso do gerador, uma vez que se utilizam geradores de alta velocidade. <ref>Lindsay Morris. (2011). [https://www.power-eng.com/articles/print/volume-115/issue-3/features/direct-drive-vs-gearbox-progress-on-both-fronts.html Direct Drive vs. Gearbox: Progress on Both Fronts]. ''Power Engineering.'' Consultado em 19 de fevereiro de 2019.</ref>

'''Tipos de turbinas'''

Eixo Horizontal (HAWT)

São o tipo de turbinas eólicas mais comuns e, como o nome indica, o eixo encontra-se na posição horizontal. No mesmo plano estão o rotor, gearbox e gerador, posicionados no topo da torre. As HAWT têm como principal desvantagem o facto de as pás terem de estar apontadas na direção do vento. A regulação da sua posição é feita automaticamente por computadores com recurso a sensores. As pás são posicionadas de forma estratégica para evitar problemas que possam surgir com a grande turbulência gerada, são colocadas por exemplo contra o vento e a uma determinada distancia, na frente da torre, para o caso das pás se inclinarem com a turbulência. As HAWT são as que mais energia produzem, visto que as pás estão na perpendicular à direção do vento e todas trabalham. Nos grandes parques eólicos são frequentes as turbinas de 3 pás que são as que melhor conseguem conciliar a velocidade das pás com a estabilidade da estrutura. A maior altura e comprimento das pás favorece a geração de energia. Os grandes custos iniciais e de manutenção, são as suas principais desvantagens.
[[Ficheiro:Darrieus1.jpg|miniaturadaimagem|185x185px|Turbina Darrieus. Fonte:http://ambiente.hsw.uol.com.br/energia-eolica1.htm]]
Eixo Vertical

O eixo rotacional encontra-se na posição vertical, perpendicular ao solo. Neste género de turbinas destacam-se as do tipo Savonius e Darrieus, as quais funcionam a partir de forças de arrasto e de sustentação, respetivamente. Estas possuem o gerador e a ''gearbox'' na base da turbina, junto ao solo, o que é um fator vantajoso para a sua acessibilidade e manutenção. Umas das principais características destas turbinas é a sua independência em relação à direção do vento, não necessitando de mecanismos para apontar as turbinas ou de pitch, permitindo também a sua instalação em locais onde a direção do vento não é constante. A sua integração em edifícios também é possível. Fácil instalação e transporte são outras das vantagens.

As suas desvantagens prendem-se com as suas baixas velocidades de rotação, baixas eficiências, já que apenas uma lamina trabalha (em comparação com HAWT onde todas contribuem para a geração elétrica) e necessidade de um impulso inicial.

'''Eficiência''' <ref name=":0" />

De acordo com o princípio da conservação da massa, a quantidade de ar que entra na turbina tem de ser igual à que sai da mesma, limitando a eficiência das mesmas a 59,3% da energia cinética total associada ao ar circulante. Este valor foi obtido através da equação de Bertz, que traduz a máxima potência que é possível obter a partir de uma corrente de ar.

Assim, considerando a eficiência máxima e a equação que traduz a energia cinética, e sabendo a velocidade do ar, var, e a sua densidade, ρar, a potência máxima que pode ser obtida numa turbina eólica é dada por:
[[Ficheiro:Equacao.png|centro|miniaturadaimagem|Equação que permite determinar a potência de um aerogerador]]
Sendo A a área efetiva do rotor. Há, ainda, outros fatores que afetam o valor final da potência, entre os quais a fricção entre as pás da turbina, e ainda perdas na conversão de energia cinética em energia mecânica, associadas ao rotor.

'''Vantagens e desvantagens'''
[[Ficheiro:Tabela turbinas.png|miniaturadaimagem|Comparação entre turbinas de eixo horizontal e vertical. Fonte:http://www.windturbinestar.com/hawt-vs-vawt.html]]
As principais vantagens do uso de energia proveniente das turbinas eólicas são o facto de serem de uma fonte renovável e não poluente. Existem outras vantagens que estão relacionadas direta ou indiretamente com o uso das turbinas eólicas, tais como:

- Diminuição da dependência de combustíveis fósseis;

- Diminui a emissão de gases de efeito de estufa;

- Criação de emprego;

- Principais desvantagens:

- Dependência da presença de vento;

- Poluição visual e sonora;

- Podem afetar o ecossistema de algumas aves;

- Podem causar erosão no solo.

[[Ficheiro:Produção.png|miniaturadaimagem|Produção de eletricidade por fonte em Portugal, 2017. Fonte:http://www.apren.pt/pt/dadostecnicos/index.php?id=1147&cat=266]]
'''Situação em Portugal'''

Atualmente Portugal produz mais de 5 GW de energia eólica, constituindo 22% da produção elétrica em Portugal. Em 2013 ocupava a sétima posição no ranking de produção de energia eólica na Europa.

Energia eólica começou a ser produzia em Portugal em 1986 com a criação do primeiro parque eólico na ilha de Porto santo, e em Portugal continental em 1992 no parque eólico de Sines. Em 2013 Portugal tinha já mais de 2500 aerogeradores, sendo Viseu o distrito que mais energia eólica produz.
[[Ficheiro:Futura.png|nenhum|miniaturadaimagem|575x575px|Produção Futura em Portugal. Fonte: http://www.apren.pt/pt/dados-tecnicos-3/dados-nacionais-2/resumo-do-estudo-impacto-macroeconomico-do-setor-da-eletricidade-de-origem-renovavel-em-portugal-2/evolucao-do-sector-da-eletricidade-renovavel-em-portugal-2/evolucao-da-potencia-instalada-em-renovaveis-por-tecnologia-mw/]]

'''Referências'''

http://pt.hidroerg.pt/energia-eoacutelica.html

https://www.palpitedigital.com/como-funcionam-turbinas-eolicas-geracao-energia/

https://pt.wikipedia.org/wiki/Aerogerador

https://evolucaoenergiaeolica.wordpress.com/aerogerador-de-eixo-horizontal/

http://www.solar.coppe.ufrj.br/eolica/eol_txt.htm

http://www.green-mechanic.com/2013/03/horizontal-axis-wind-turbine.html

http://www.green-mechanic.com/2013/03/vertical-axis-wind-turbine.html

Realizado por: Inês Inocêncio e Telmo Rodrigues, no âmbito da disciplina de Integração e Intensificação de Processos, pertencente ao Mestrado Integrado em Engenharia Química (Departamento de Engenharia Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2016/2017).

[[Categoria:Utilidades industriais]]

Ficheiro:Equacao.png

2019-04-17T16:01:04Z

AntonioFigueiredo: