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How to cite this paperAn. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002
Eficiência energética de um sistema eólico isolado
Ricardo Terciote
UNICAMP - Faculdade de Engenharia Mecânica - Departamento de Energia CEP 13083-970 CP162 - Campinas-SP - tel: (019) 3788-3285
RESUMO
Com a crescente preocupação em torno das questões ambientais e devido aos impactos causados pelas formas tradicionais de geração de energia, vários países vêm investindo na complementação e transformação de seus parques energéticos com a introdução de fontes alternativas de energia. O desenvolvimento da energia eólica no mundo apresenta-se como uma das mais importantes e promissoras tecnologias na geração complementar de energia limpa porém, para a instalação de parques eólicos, é interessante observar as características do local, equipamentos) para que a eficiência energética do sistema seja a maior possível. Em particular, melhorar a eficiência na produção de eletricidade significa melhorar o aproveitamento da energia disponível nos ventos para a produção de eletricidade e é de suma importância para a maioria dos países desenvolvidos e em desenvolvimento. Neste trabalho, apresentam-se os resultados de um pequeno sistema eólico isolado instalado na UNICAMP, avaliando sua eficiência energética. Os resultados encontrados mostram que a energia eólica deve ser encorajada apenas em locais com boas condições de vento para que seja possível gerar energia limpa de forma competitiva.
Palavras chave: Energia eólica, Eficiência energética, Fontes renováveis
ABSTRACT
With the increasing concern around the ambient questions and had to the impacts caused for the traditional forms of energy generation, some countries come investing in the complementation and transformation of its energy parks with the introduction of alternative sources of energy. The development of the wind energy in the world is presented as one of most important and promising technologies in the complementary generation of clean energy however, for the installation of wind parks, are interesting to observe the characteristics of the place, equipment) so that the energy efficiency of the system is the possible greater. In particular, to improve the efficiency in the electricity production means to improve the exploitation of the available energy in the winds for the electricity production. In this work, the results of a small isolated wind system installed in the UNICAMP are presented, evaluating its energy efficiency. The results show that the wind energy must be encouraged only in places with good conditions of wind so that is possible to generate competitive clean energy.
INTRODUÇÃO
Atualmente vários países vêm investindo na complementação e transformação de seus parques energéticos com a introdução de fontes alternativas de energia. As questões ambientais alavancaram em muito estes investimentos, principalmente devido aos impactos causados pelas formas tradicionais de geração de energia.
Vários governos estão traçando novas estratégias de fornecimento de energia elétrica a curto e a longo prazos devido à preocupação com o aumento do consumo de eletricidade nos últimos anos. Esta preocupação justifica um planejamento mais eficaz e rigoroso para essas estratégias, de forma a suprir as necessidades da população. Neste contexto, inserem-se as fontes renováveis de energia, as quais têm aumentado sua participação nos mercados e também deixando de se limitar a comunidades isoladas, seu principal nicho de aplicação no passado.
Com o sensível crescimento de mercado a favor da energia eólica, nota-se queda nos preços dos aerogeradores ao longo das últimas décadas, tornando-a ainda mais competitiva com outras fontes de geração devido à evolução da tecnologia, das características operacionais aplicadas à energia eólica e não somente às questões de custo. O custo "zero" de seu combustível (ventos), baixo custo de manutenção, o curto espaço de tempo necessário para sua instalação e operação, entre outros fatores, vêm consolidando o espaço da energia eólica entre as demais fontes de energia.
O desenvolvimento da humanidade através da utilização cada vez maior de fontes renováveis de energia minimizará os impactos ambientais.
Em particular, melhorar a eficiência na produção de eletricidade significa melhorar o aproveitamento da energia disponível nos ventos para a produção de eletricidade e isto é de suma importância para a maioria dos países desenvolvidos e em desenvolvimento.
1. A ENERGIA CONTIDA NOS VENTOS
A energia eólica provém da radiação solar uma vez que os ventos são gerados pelo aquecimento não uniforme da superfície terrestre. Uma estimativa da energia total disponível dos ventos ao redor do planeta pode ser feita a partir da hipótese de que, aproximadamente, 2% da energia solar absorvida pela Terra é convertida em energia cinética dos ventos. Este percentual, embora pareça pequeno, representa centena de vezes a potência anual instalada nas centrais elétricas do mundo (CRESESB, 1996).
Os ventos que sopram em escala global e aqueles que se manifestam em pequena escala são influenciados por diferentes aspectos entre os quais destacam-se a rugosidade do solo, os obstáculos e o relevo.
Os ventos (massas de ar em movimento) possuem energia cinética, que pode ser aproveitada com o uso de aerogeradores, os quais têm a capacidade de converter esta energia cinética contida nos ventos em energia elétrica.
Dessa forma, a energia cinética, EC, contida em uma amostra de volume de ar, A x δx, com a densidade do ar, ρ, movendo-se com uma velocidade, v, onde A é a unidade de área perpendicular à direção dos ventos e δx é paralelo à direção dos ventos, é dada por:
O fluxo de energia, ou a densidade de energia dos ventos, é dado pela derivada da energia cinética por unidade de área, em relação ao tempo:
Sendo determinada a energia contida nos ventos:
onde h representa o tempo, em horas.
A densidade do ar pode ser calculada aproximadamente pela temperatura, T , e a pressão, P , do local onde o aerogerador está posicionado por:
onde R é a constante dos gases.
Esta correção pode ser substancial para o verão ou em grandes altitudes, onde os valores de pressão e temperatura diferem das condições normais de temperatura e pressão (CNTP). Como exemplo, para um aerogerador localizado a 2.000 metros, a densidade de energia do vento é 21% menor do que a encontrada ao nível do mar devido à altitude. Para uma temperatura de 30ºC, existe um decréscimo de 5% (JOHANSSON et al., 1993).
1.1.EFICIÊNCIA DE BETZ
A primeira teoria de quantidade de movimento foi estabelecida por W. Rankine e W. Froude, que a definiram para um elemento qualquer que fosse capaz de fornecer energia a um fluido. Nas pesquisas, as aplicações foram voltadas para as hélices de barco. Porém, a primeira teoria de quantidade de movimento que tratava de elementos (no caso, pás) que fossem capazes de extrair energia dos fluidos (ar) foi desenvolvida por Albert Betz, em 1920.
Pode-se imaginar que a máxima energia retirada dos ventos por uma turbina eólica é a energia cinética dos ventos que atravessam um círculo formado pela área das pás. Porém, o vento ainda possui velocidade (energia cinética) na esteira do rotor e, desta forma, nem toda energia é retirada dos ventos.
Em um modelo ideal, considera-se um cilindro de ar de área A, com um vento de velocidade v1 entrando neste cilindro, passando pela área com velocidade v e saindo com velocidade v2. Para este modelo, Betz desenvolveu a sua teoria (descrita a seguir), encontrando o máximo valor de energia que pode ser retirado dos ventos, mostrando ser este 16/27 da energia cinética de entrada.
A massa de fluxo de ar de densidade ρ através da área do rotor é determinada por:
Pela conservação do momento, a força que age na área do rotor é:
Da conservação da energia, a potência despendida quando o vento passa pelas pás é:
Tomando-se:
e derivando a Eq. 8 em relação a v2 , tem-se:
Do último membro da Eq. 7, mantendo-se a velocidade de entrada v1 constante, pode-se encontrar a velocidade v2 onde a potência é máxima:
Então, a máxima potência é:
Sendo assim, Albert Betz determinou que a eficiência aerodinâmica do rotor estava limitada a 16/27, ou 59,3% da energia presente nos ventos. Em alguns casos são encontrados valores próximos a 35% (DUTRA, 2001).
1.2. EFICIÊNCIA DOS SISTEMAS EÓLICOS
O rotor, responsável por transformar a energia cinética presente nos ventos em energia mecânica, é o primeiro estágio de conversão da energia do vento em eletricidade sendo que os outros dois são a transmissão, que adequa as velocidades de rotação e o próprio gerador, responsável por converter a energia mecânica em energia elétrica.
Em média, a eficiência de conversão dos modernos aerogeradores está dividida da seguinte forma:
Atualmente, o padrão de rotores utilizados nos aerogeradores modernos são de três ou duas pás. Isto se deve ao fato da grande relação de potência extraída por área de varredura do rotor, muito superior ao rotor multipás, para velocidades mais elevadas; características estas aceitáveis em sistemas de geração de eletricidade, porém incompatibilizam seu uso em sistemas que requeiram altos momentos de força e/ou carga variável.
Rotores modernos, com mais de três pás, são apenas usados quando se necessita de um grande torque de partida, o que é basicamente o caso de bombeamento mecânico de água. Aerodinamicamente, no entanto, grande número de pás e alto torque de partida implicam em menor eficiência.
Desta forma, a construção de pás para aerogeradores deve ser um resultado da integração entre estes fatores. Destaca-se que, com o estágio atual da tecnologia, não reside na aerodinâmica a dificuldade de fabricação do rotor mas sim na construção e resistência dos materiais que compõem as pás. Esses devem responder às diferentes exigências (esforços) da máquina eólica e que o conjunto material seja resistente, rígido, leve e de mínimo custo.
As perdas na transmissão estão diretamente ligadas ao atrito que existe entre as engrenagens. Em velocidades de giro fixas, as perdas variam pouco com o par de transmissão então assume-se que as perdas são uma porcentagem fixa da potência nominal. Esta porcentagem real depende da qualidade da transmissão mas um valor razoável pode ser em torno de 2 % da potência em cada etapa de engrenamento1. Como a transmissão consome uma certa quantidade de energia, as perdas podem ser consideráveis em baixas potências, já que o rendimento nestes casos é menor (JOHANSSON et al., 1993).
As perdas no gerador podem ser classificadas em três categorias: (i) histerese2 e perdas no fluxo (que são funções da freqüência e tensão de trabalho); (ii) resistência aerodinâmica e perdas por atrito (que variam com a velocidade de giro); (iii) perdas no cobre, que variam com o quadrado da corrente de saída.
1.3. FATORES QUE INFLUENCIAM O DESEMPENHO DOS AEROGERADORES
Desde 1970, a tecnologia presente nos sistemas eólicos, principalmente na fabricação de aerogeradores, vem crescendo mais do que qualquer outra (GIPE, 1995). É expressível a contribuição das turbinas eólicas que geram quantidades comerciais de eletricidade, auxiliando outras fontes de geração e, em alguns casos, a energia eólica acaba se tornando a única fonte de eletricidade para suprir a demanda de energia elétrica de comunidades.
Porém, para que a geração de eletricidade a partir do movimento do ar seja possível e atraente, tanto técnica quanto economicamente, alguns fatores são determinantes. O valor da energia produzida varia com o cubo da velocidade dos ventos, o que significa que a potência de saída é altamente sensível a este fator: um aumento de 10% no mesmo acarreta em 33% a mais de energia disponível.
Desta forma, a velocidade dos ventos é o fator mais crítico na determinação da energia que pode ser obtida de um aerogerador e também seu custo. Além deste, outros fatores como altura da torre, altitude, superfície, entre outros, também são importantes e serão discutidos nesta seção.
1.3.1. TOPOGRAFIA
O ar normalmente é mais frio durante a noite e tende a ocupar as regiões próximas ao solo e produzir pouca quantidade de vento, um dos motivos do posicionamento da torre em áreas mais elevadas. Para a escolha destes locais devem ainda ser observados aspectos como: facilidade de locomoção até a instalação, proximidade ao ponto de consumo, espaço necessário para manutenções e evitar áreas muito frias (geadas, neve), pois condições climáticas adversas podem prejudicar e danificar o aerogerador.
1.3.2 BARREIRAS NATURAIS
Podem ser tratadas como barreiras naturais: prédios, árvores, plantações e construções elevadas que, quando estão na direção do vento que passa pelo aerogerador, causam uma diminuição da velocidade do vento e turbulência, danificando o equipamento.
1.3.3 SUPERFÍCIE
Dependendo do tipo de vegetação encontrada, é importante o posicionamento do aerogerador a maiores alturas: quanto mais acidentado o terreno (maior rugosidade), com plantações, construções, árvores, etc. mais alta a torre deve ser.
Os dados de velocidade do vento normalmente vêm acompanhados com a altura na qual ocorreu a medição. Quando esta não vem especificada, a velocidade refere-se à altura padrão internacional de 10 metros acima do solo ou à altura em que cada aerogerador está operando.
Porém, existem duas formas de aproximação para estimar a velocidade do vento de acordo com a altura: a Lei da Potência (Power Law Method), comum na América do Norte e a Lei Logarítmica, comum na Europa3.
2. DESCRIÇÃO DO PROJETO
Para concretizar o objetivo deste estudo, montou-se um projeto4 com um pequeno aerogerador. Com isto, adquiriu-se informações a respeito deste sistema de energia eólica de baixa potência, demonstrando suas potencialidades e enfocando principalmente sua eficiência e, ainda, a sazonalidade do desempenho de aerogeradores neste local, através de um experimento científico.
O principal objetivo é determinar a eficiência do sistema instalado, bem como verificar o desempenho sazonal da tecnologia eólica, o qual vem sendo monitorado com vistas à obtenção de resultados da taxa de desempenho (considerada aqui como o quociente entre a energia total efetivamente produzida e a energia total disponível nos ventos). Estes resultados são comparados com os projetos similares conhecidos no mundo.
2.1. EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
Tem-se como ponto de partida a instalação eólica de 500 W, composta por um aerogerador de duas pás, instalado nas dependências da Faculdade de Engenharia Agrícola (FEAGRI), na UNICAMP. Esta instalação é continuamente monitorada por um sistema de aquisição de dados dedicado.
Além do aerogerador, ainda fazem parte deste sistema uma estação meteorológica5 com sensores de radiação solar, velocidade e direção dos ventos e temperatura; sistemas de aquisição de dados - um para os dados meteorológicos e outro para os valores de tensão e corrente fornecidos pelo aerogerador, um controlador de carga e um sistema de armazenamento composto por baterias. O aerogerador foi colocado sobre uma torre a seis metros de altura.
2.2. DADOS UTILIZADOS
Os dados de velocidade instantânea dos ventos utilizados neste trabalho foram os disponibilizados pelo Centro de Ensino e Pesquisa em Agricultura (Cepagri) da UNICAMP, referente ao ano 2001. Estes dados são os registros diários, a cada dez minutos, a uma altura de cinco metros, da estação meteorológica de coleta dos dados6, localizada na FEAGRI.
Do sistema montado, foram coletados, com o data logger, os dados de tensão e corrente fornecidas pelo aerogerador a cada cinco minutos, entre os meses de Abril e dezembro de 2001.
2.3 METODOLOGIA DE TRABALHO
Para o ano de 2001, nos meses compreendidos entre Abril e Dezembro, a partir dos dados coletados com o data logger (tensão, V e corrente, I ), foi calculada a energia diária fornecida pelo sistema ( E ), a partir da Eq. 15 e 16, somando-se a energia fornecida a cada cinco minutos.
onde:
P =potência (W)
t = tempo (em horas)
Comparou-se a energia diária fornecida pelo sistema com a energia cinética contida nos ventos, calculada com os dados do Cepagri para o mesmo período (Eq. 2), encontrando a eficiência do sistema. Para a energia mensal e anual, somou-se os dados diários.
Existem diferentes maneiras de definir eficiência, uma delas é a que expressa o desempenho de sistemas quando instalados, sendo definida por:
3. A EFICIÊNCIA DO SISTEMA
A Fig. 1 mostra a energia diária contida nos ventos (dados do Cepagri para o ano de 2001) e a gerada pelo sistema (dados medidos com o data logger) para um mês típico entre os estudados neste trabalho.
Analisando a Tab.2, a eficiência média do sistema, calculada de acordo com a Eq. 17, ficou em 12%. Este valor desconsidera as diferenças que são ocasionadas devido à localização da estação meteorológica do Cepagri (distante aproximadamente 1.000 metros do local da instalação do projeto), bem como ao ajuste das alturas (a estação do Cepagri fornece dados a 5 metros de altura e o aerogerador está posicionado a 6 metros do nível do solo). E, ainda, a diferença de altitude entre os locais de instalação.
Comparando este valor com os encontrados na literatura, observa-se que este é inferior. Para todos os meses analisados, de acordo com os dados do Cepagri, a velocidade média mensal dos ventos é abaixo da velocidade de start-up do aerogerador, fazendo com que este fique estacionário em alguns períodos do dia sem produzir eletricidade.
Analisando a Fig.1 e a Tab.2 percebe-se a baixa eficiência do sistema. O aerogerador de 500 W produziu, nestes nove meses de pesquisa, um total de 8044,8 Wh, tendo média mensal de 893,9 Wh.
De uma forma geral, o sistema se comportou de forma satisfatória ao longo dos meses de análise, sem que fosse necessária a intervenção para manutenção nos equipamentos.
CONCLUSÕES
A energia eólica é uma das fontes renováveis que apresenta maiores vantagens na geração de energia elétrica. Em todo o mundo, o uso dessa energia na geração complementar de eletricidade tem sido constantemente difundido e se espera um crescimento ainda mais significativo para os próximos anos.
A energia eólica tem um futuro ainda mais promissor com a conscientização pública das suas vantagens como fonte renovável de energia e a progressiva competitividade econômica. As questões ambientais estão cada vez mais difundidas e atitudes em favor ao meio ambiente estão se tornando parte integrante dos processos decisórios sob vários aspectos e novas formas de incentivo para compra de energia renovável estão sendo introduzidos, inclusive no Brasil.
Existem vários projetos significativos já em operação que comprovam a eficiência da tecnologia frente às condições brasileiras, mesmo estando a energia eólica em fase inicial de grandes investimentos.
Porém, para o sistema que foi objeto de estudo deste trabalho, a eficiência energética, em geral, ficou em 12%, na comparação entre a energia contida nos ventos e a realmente fornecida pelo aerogerador, de acordo com as medições realizadas. É relevante ressaltar que o projeto montado para esta análise não se preocupou em realizar um estudo prévio para otimização de sua localização. Ele teve como objetivo principal realizar as primeiras análises de regime de ventos, medições e familiarização com a tecnologia de geração eólica no grupo de pesquisa GE4R (Grupo de Estudos em Eficiência Energética e Energias Renováveis).
Este valor de eficiência está bem abaixo, como poderia ser esperado, daqueles encontrados nas plantas eólicas comerciais, que giram em torno de 35% para sistemas de grande porte. A eficiência do sistema montado na UNICAMP varia em torno de 25% entre os meses do ano (pode-se observar na Tab. 6.4), apresentando valores de 10,4% em Julho e 13% em Novembro. Observa-se que a eficiência do sistema é diretamente proporcional à velocidade média do vento, sendo que nos meses de médias mais elevadas, tem-se eficiência maior.
Analogamente, a quantidade de eletricidade produzida é maior nos períodos em que aumentam as médias de velocidade dos ventos, observado entre os meses de Setembro e Novembro. Deve-se lembrar que a energia disponível nos ventos variam com o cubo da velocidade dos mesmos.
Mesmo encontrando valores que não beneficiam a energia eólica, a busca de novas fontes de geração de energia elétrica não pode descaracterizar a vocação renovável do sistema elétrico nacional. O reconhecimento dos potenciais renováveis e sua utilização é um dos grandes fatores para a manutenção da geração de energia limpa (característica do sistema hidrelétrico nacional).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] CRESESB - Centro de Referência para as energias solar e eólica Sérgio de Salvo Brito. Cresesb Informe. Rio de Janeiro, Dez., 1996. Vol.2, n.2.
[2] Dutra, R. M. Viabilidade Técnico-Econômica da Energia Eólica Face ao Novo Marco Regulatório do Setor Elétrico Brasileiro. Mestrado diss., Rio de Janeiro: COPPE/ Universidade Federal do Rio de Janeiro, 309p. 2001.
[3] Gipe, P. Wind Energy - Comes of Age. New York: John Wiley & Sons, 1995.
[4] Hirata, M. H. Energia Eólica - Uma Introdução. Rio de Janeiro: COPPE/UFRJ, 1985.
[5] Johansson, T., Kelly, H., Reddy A. K., Williams, R. H. Chap. in Renewable Energy. Chapter
1 Normalmente são requeridas duas ou três etapas de engrenamento.
2 Perdas por magnetização.
3 Para maiores informações: GIPE (1995); HIRATA (1985). (JOHANSSON et al. , 1993).
4 O projeto está em funcionamento desde Abril/2001.
5 Esta estação foi instalada em meados de Dezembro/2001 e seus dados não foram utilizados neste projeto.
6 Estação automática de coleta de dados da Campbell Scientific, modelo CR10, com contrato de manutenção firmado com a FUNCATE - Fundação de Ciências e Aplicações e Tecnologia Espacial de São José dos Campos.