Energia Eólica

A energia eólica é a energia produzida pelo vento resultante das diferenças de pressão atmosférica causadas pelo aquecimento diferencial terrestre provocado pela radiação solar. A deslocação de massas de ar (vento) é influenciada pelas condições atmosféricas (intensidade e direção) por obstáculos e condições do solo. O aproveitamento da energia cinética do vento para produção de energia elétrica é efetuada através de turbinas eólicas acopladas a geradores. A este conjunto turbina-gerador é habitualmente chamado Aerogerador ou Turbina Eólica. Existem vários tipos de turbinas eólicas cujas as diferenças incidem essencialmente na direção do eixo de rotação (vertical e horizontal), forma e número de pás que constituem o rotor.

Gerador eólico e componentes.

Quando exposto a vento suficiente, um aerogerador produz corrente alternada (CA) que, depois de retificada, é transformada em contínua(CC). A corrente é usada para carregar de baterias e posteriormente convertida em corrente alternada utilizável(alimentação direta de dispositivos ou para injetar na rede elétrica). Todos os aerogeradores vêm com o seu próprio sistema de controle de carga (A, B).

Tal como a energia solar a energia eólica é uma energia limpa, a sua inclusão em áreas ventosas em ambientes domésticos pode rapidamente trazer o retorno do investimento efetuado. Pode funcionar em simultâneo com módulos energéticos solares. O seu funcionamento não difere substancialmente, a energia captada por um aerogerador carrega um conjunto de baterias ou é injetada diretamente na rede pública.

Produção de energia

A produção de energia elétrica a partir do vento tem vantagens e desvantagens que devem ser ponderadas

Vantagens:

  • Não gera resíduos e não emite gases poluentes;
  • É uma fonte de energia inesgotável;
  • Os parques eólicos podem ser usados para outros fins, agricultura, pastorícia ou criação de gado;
  • É uma fonte barata de energia que pode competir com as fontes de energia tradicionais em termos de rentabilidade;
  • Não requer uma manutenção frequente e tem uma manutenção reduzida.

Desvantagens da utilização da energia eólica:

  • Não tem uma produção constante, fatores como a falta de vento podem, durante períodos, tornar nula a produção;
  • Impacto visual e sonoro dos parques eólicos ou mesmo de um gerador caseiro;
  • Em larga escala, pode afetar o comportamento migratório de algumas espécies de aves.

A energia cinética, resultante das deslocações de massas de ar, pode ser transformada em:

  • energia mecânica através de aeromotores;
  • energia elétrica através de turbinas eólicas ou aerogeradores.

Potencial Eólico

O potencial eólico exige um conhecimento detalhado do comportamento dos ventos. Os dados relativos a esse comportamento que auxiliam na determinação do potencial eólico de um local, são relativos à intensidade da velocidade e à direção do vento. Para obter esses dados, é necessário também analisar os fatores que influenciam o regime dos ventos no local da instalação. Entre eles pode-se citar o relevo, a rugosidade do solo e outros obstáculos (edifícios, por exemplo).
A potência mecânica disponível (P) numa turbina depende grandemente (fator cúbico) da velocidade do caudal de ar que passa através dela, o que faz com que o interesse e o aproveitamento deste recurso varie muito com a intensidade e a direção do vento.

A potência do vento que passa perpendicularmente através de uma área circular P = 1/2 (rv3 r2)

Onde:

P= potência média do vento em Watts [W]
r(rho) = densidade do ar seco = 1,225 kg/m3 (PTN)
v= velocidade média do vento [m/s]
(pi) =3.1415926535...
r = raio do rotor em m [metros]

Contudo, esta energia não pode ser inteiramente recuperada pelo aerogerador, pois há que evacuar o ar turbinado; introduz-se, de modo a tornar o calculo mais preciso, o coeficiente Cp no cálculo da potência:

P = 1/2 (rv3 pr2Cp)

O coeficiente de potência foi introduzido pela teoria de Betz. O coeficiente Cp caracteriza o nível de rendimento de uma turbina eólica; pode ser definido pela razão:

Coeficiente Cp para aerogeradores

Potência de um Aerogerador

Os aerogeradores são classificados de acordo com a sua potência; com 1 MW, pode alimentar 900 habitações de 3 pessoas, se excluirmos o aquecimento eléctrico.

Diâmetro das pás
Valores de potência
Pequena potência
< 12m
< 40Kw
Média potência
12 a 45 m
40kW a 1 MW
Grande potência
> 46m
> 1MW

Limite de Betz

O limite de Betz indica que, mesmo para os melhores aproveitamentos eólicos (turbinas de 2 ou 3 pás de eixo horizontal), recupera-se apenas um máximo de 59% da energia do vento, o que significa que Cp máximo (teórico) é 0,59. Para uma aplicação real, este coeficiente é da ordem de 0,3 a 0,4 no máximo. A teoria de Betz coloca em modelo a passagem do ar antes e após a turbina, por um tubo de corrente onde:

Limite de Betz
V1 é a velocidade do vento antes das pás da turbina
V é a velocidade do vento nas pás da turbina, na ordem de 10 m/s
V2 é a velocidade do vento após ter transferido energia às pás da turbina
Onde V1 > V > V2 , sendo estas velocidades paralelas ao eixo do rotor.

Que potência uma turbina pode produzir em função das dimensões?

Turbina eólicaPotência elétrica
Diâmetro do Rotor (m): Velocidade Média do Vento:

Eficiência Turbina - Coeficiente Cp: *
* Nota: Uma turbina de um aerogerador bem desenhado consegue ter 25% - 40% de eficiência.

Pot. Instantânea (kW):

Pot. Mensal (kWh):

Pot. Anual Produzida (kWh):

Área (m2):

** Assume-se que a densidade do ar é 1.225kg/m3
Uma turbina de um aerogerador bem desenhado consegue ter 25% - 40% de eficiência.

Nota - Nos cálculos mensais e anuais, considera-se que o gerador tem um funcionamento permanente médio igual ao valor apresentado, como a produção não é linear, a paragem por falta de vento ou elevados níveis de produção podem tornar estes valores pouco precisos. Os valores apresentados mensalmente e anualmente devem ser considerados como estimativas prováveis e não valores exatos.

A eficiência do vento em relação à energia elétrica produzida pode ser calculada neste simples programa. Cálculo para geradores eólicos.

Aerogerador eólico
Aerogerador
Aerogerador eólico
Componentes Gerador

Como produzir energia eólica?

Para produzir energia elétrica é necessário um gerador eólico. A utilização pode variar, um gerador pode estar desligado da rede elétrica e ter um circuito independente suportado por baterias ou estar ligado diretamente à rede elétrica exterior injetando o sinal na rede. O primeiro caso, necessita de baterias que acumulem a carga, existe uma utilização autónoma. O segundo caso, necessita de um inversor aprovado pelo distribuidor e, nesse caso, o distribuidor pode até comprar essa energia.

Existe um outro tipo de utilização, um gerador autónomo que distribuí enquanto as baterias tiverem carga e, no caso de não existir carga suficiente, o sistema comuta automaticamente para a rede elétrica de distribuição.

Posso eu mesmo construir um gerador eólico caseiro?

Sim.

Para construir um gerador eólica existem algumas questões a que se deve ter atenção

O local onde vou instalar o aerogerador tem vento suficiente?

A maioria das pessoas têm a noção que vivem em locais ventosos, no entanto a maior parte das áreas residências não são adequadas para a produção de energia a partir do vento. As árvores e os edifícios diminuem a velocidade do vento, criam zonas de turbulência que podem ser destrutivas. É fundamental que a zona de incidência se encontre desobstruída. Verifique os mapas de velocidades do vento.

Turbulência do vento

Os locais abertos ou zonas junto ao litoral podem ser apropriados para colocar as turbinas. Uma torre alta pode ser útil e aumentar a rentabilidade da instalação, não esquecer que a turbina pode ter alguns efeitos nas áreas circundantes, os seus vizinhos podem não partilhar o seu entusiasmo, mas pode partilhar com eles a energia produzida e o trabalho de colocação, certamente os resultados vão ser diferentes.

As zonas de turbulência devem ser evitadas para instalar qualquer tipo de turbina eólica.

Que tamanho de turbina necessito?

As turbinas eólicas funcionam com o ar fino, assim, necessitam de ter dimensões elevadas para produzir potências consideráveis. Um diâmetro de 2 metros (pá da turbina com 1 metro) pode produzir anualmente mais de 500 Kw/h.  Um valor considerável para uma habitação média. 

Que tipo de gerador devo usar?

A maioria dos aerogeradores pequenos são usados para carregar baterias que posteriormente vão colocar essa energia elétrica transformada no setor normal de 220V. A escolha obvia para um aerogerador caseiro será o alternador de um veículo automóvel. Mas a utilização de uma alternador tem alguns inconvenientes, o dispositivo funciona apenas com uma rotação elevada +/- 2000RPM a velocidade das pás raramente ultrapassa as 100RPM, existe assim a necessidade de multiplicar mecânicamente este diferencial. Neste processo existem perdas significativas. Em aerogeradores instalados a baixa altitude (em relação ao solo) existe um pequeno aproveitamento energético, existe a necessidade de ter um gerador com uma eficiência muito boa para ter aproveitamento.

Quase todas os aerogeradores pequenos de fabrico comercial usam geradores com ímans permanentes que não são fáceis de construir. O gerador é o componente fundamental para o êxito ou fracasso do projeto. Contenha o entusiasmo mas não desanime existem sempre soluções.

Brevemente vamos colocar aqui como aproveitar motores de CC em geradores

A altura da turbina é importante?

Quanto mais alto melhor, a potência do vento em função da altura varia nas seguintes proporções:

Potencia v Altura
V0-Velocidade em m/s à altura de referência h0 do solo
α-Coeficiente característico do local; entre 0,1 e 0,4

Cada local pode ter um fator diferente, baseando-nos num fator de 0,1 podemos criar um gráfico aproximado.

Altura gerador

Posso eu mesmo construir as pás das turbinas?

Sim, vamos colocar aqui alguns processos para construção das pás das turbinas, algumas mais sofisticadas em fibra outras utilizando materiais comuns usando simples tubos de polietileno.

Não esquecer que no caso de produção de energia em excesso a EDP é obrigada a comprar essa energia produzida, se tem vento e espaço pense nisso.

O primeiro circuito que vamos publicar é totalmente de concepção

O primeiro circuito que vamos publicar é totalmente de concepção caseira, destina-se apenas a testar todo o poder que o vento tem em gerar energia, se tem possibilidade tente fazer este pequeno aerogerador, os problemas que surgem são idênticos aos geradores de maior dimensão, até a lei de murphy nº13442331 se manifesta, diz que depois de terminado, o vento não vai soprar durante 5 dias, pode fazer o download clicando em turbina eólica e na mesma linha da turbina anterior aerogerador.

Para verificar a velocidade do vento um esquema simples de um anemómetro

Construir um pequeno aerogerador caseiro

Um circuito mais complexo mas com aproveitamento energético, vamos aproveitar um motor de video gravador.

Motor adaptado para aerogerador

Vamos aproveitar o circuito de três fases existente nos servo motores dos videos e fazer a sua ligação a díodos em ponte.

Diodos de retificação

vamos então ligar os díodos ao motor

Ligação do motor aos retificadores

Cada enrolamento de cada fase tem a mesma resistência, aproximadamente 4 ohm, verifique com o multímetro se os enrolamentos têm todos o mesmo valor.

Agora vamos construir as pás da turbina. Vamos para isso utilizar réguas de madeira ou metálicas preferencialmente de aluminio.

Pás da Turbina

Suporte as pás de modo a obter o máximo rendimento do vento fazendo o centro da turbina com esta forma.

Pá da Turbina

Obtemos um conjunto que pode ser utilizado para produzir energia.

Turbina Caseira

Nesta foto já com o motor incorporado

Aerogerador Caseiro

Depois de concluído podemos então ligar o sistema a um controlador de carga e carregar baterias ou pilhas.

Aerogerador 100W

Controlador de Carga para aerogerador

Energia eólica links

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