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O Vento como fonte natural e inesgotável: A Energia Eólica

Por Danielle M. Bohnen

A palavra Eólica refere-se a Éolo, o Deus dos ventos na mitologia grega, por isso, energia eólica é relativa aos ventos.

A energia eólica é uma fonte promissora, já que é renovável e limpa, substituindo o uso de combustíveis fósseis o que ajuda na redução do efeito estufa. Além disso, não utiliza a água, que é um bem escasso hoje em dia e não requer o inundamento de grandes áreas, como acontece no caso de usinas hidrelétrica, nem emite gases, o que diminui o impacto no meio-ambiente.
A maior vantagem da energia eólica, talvez seja o fato de que é possível fornecer energia para locais isolados, sem depender de transmissão à longa distância. É capaz de fornecer energia elétrica a fazendas, pequenas comunidades, fábricas, etc.
 
A Origem: os ventos como força mecânica
Tem-se documentado que os Egípcios foram os primeiros a utilizarem o vento como função mecânica, cerca de 2800 a. c., nos barcos com velas. Além disso, as velas serviam também para bombear água e moer grãos. Mais tarde, os persas, em 700 d. c., utilizavam moinhos de vento verticais para moagem de grãos. Já no oriente médio destaca-se a civilização mulçumana que, com o legado deixado pelos persas, passaram a construir seus próprios moinhos de vento. Mais tarde, na Holanda, foram criados os moinhos de vento horizontais com hélices.
Já na Idade Média, os holandeses criaram moinhos para bombeamento de água, moagem de grãos e trabalhos de serraria. Nessa época começou-se a melhorar os equipamentos como a fabricação de lâminas aerodinâmicas, desenho das engrenagens e dos moinhos. No início, as máquinas eram moinhos em pilar com o propelente no topo. O pilar permitia o direcionamento do moinho na direção do vento.
Moinho de vento Holandês
Os moinhos em poste, mais tarde, foram envolvidos em um capitel, onde haviam mancais que seguravam as lâminas. Até então fazia-se necessário o direcionamento manual ao sentido do vento, até que em 1750, quando foi inventada a ventoinha, que passou a direcionar automaticamente com a ação do próprio vento.
No ano de 1850, Daniel Halliday, Holanda, desenvolveu o tipo de moinho que pode ser visto até os dias atuais em fazendas nos Estados Unidos. O moinho consiste em multi-lâminas e é responsável por bombear água.
Já a geração de eletricidade através do vento, as primeiras tentativas foram feitas no fim do século XIX, porém, com crise do petróleo (década de 1970) que ganhou mais interesse e investimentos para a criação de equipamentos para comercialização. Os primeiros experimentos foram feitos na Dinamarca, em 1976, país pioneiro em produção eólica em larga escala. A partir de então, a tecnologia chegou aos Estados Unidos, onde as máquinas eram fabricadas com uma capacidade de até 1000W de corrente contínua no momento da passagem do vento.
Turbonas eólicas em alto mar, próximo a Copenhague - Dinamarca
Na Europa, muitos países criaram enormes geradores. Na França, por exemplo, criaram unidades de 100 kW a 300 kW. Na Alemanha, foram construídos geradores a fim de prover força extra para a linha de utilidades.
A máquina de vento mais famosa foi construída por Smith-Putman, nos EUA, durante os anos 40. A máquina era grande e possuía lâminas de 50 metros, fornecia 1250 kW para a malha de forças de Vermont. Porém, devido à Guerra e a falta de verba, o projeto foi descartado, principalmente pelo alto custo para consertar uma das lâminas, de 8 toneladas, que quebrou.
Mais tarde, na França, o engenheiro D. G. Darrieus inventou a turbina de eixo vertical. Diferente das turbinas convencionais, as quais se orientam de acordo com o vento, esta turbina é unidirecional, ou seja, entra em funcionamento independentemente da direção do vento. Além disso, o rotor e as área elétrica localizam-se na parte inferior da turbina, tornando a manutenção muito mais prática e permite maior variabilidade de aplicações elétricas e mecânicas. As lâminas usadas são curvadas, sendo assim, de maior durabilidade do que as lâminas verticais.
Tipo de turbina idealizada por Darrieus
No Brasil, as primeiras turbinas foram instaladas no Ceará e em Fernando de Noronha, no início dos anos 90 . Projeto realizado pelo Grupo de Energia Eólica da Universidade Federal de Pernambuco, UFPE, com financiamento do instituto de pesquisas dinamarquês Folkecenter e com parceria da Companhia Energética de Pernambuco, CELPE.
Quando foi instalada, a turbina contava com uma geração de eletricidade de 10% do total de energia gerada na ilha. Já a segunda turbina foi instalada no ano 2000 – projeto realizado pelo CBEE com colaboração do RISO National Laboratory da Dinamarca e financiado pela ANEEL. As duas turbinas são responsáveis por 25% da geração de energia da ilha, o que torna o projeto em Fernando de Noronha o maior sistema híbrido eólico-diesel do país.
Fonte Centro Brasileiro de Energia Eólica CBEE-UFPE
 
A formação dos ventos
O vento é o ar em movimento. Ou seja, ar é um fluido, assim como o líquido, a diferença está no fato de que suas partículas estão em forma gasosa.
A energia eólica é possível devido à energia do Sol, pois os ventos são consequência do aquecimento disforme da atmosfera, ou seja, pela variação na orientação dos raios solares e a movimentação do planeta.
As regiões tropicais são mais quentes do que as polares, por receberem luz solar com mais intensidade, dessa forma, o ar quente que encontra-se nas baixas altitudes tropicais tende a subir e ser substituído pelo ar frio que vem das regiões polares. Esses deslocamento de massas de ar frio/ quente determina a formação dos ventos.
Há regiões da Terra onde os ventos sopram direto, sem parar. São denominados ventos planetários ou constantes, que podem ser: Alísios, ventos que sopram dos trópicos para o Equador em baixas altitudes; Contra-Alísios, ventos que vão do Equador aos pólos, em altas altitudes; Ventos do Oeste, ventos que sopram dos trópicos para os pólos; Polares, ventos frios que vão dos pólos às zonas temperadas.
Já os ventos continentais ou periódicos são aqueles que resultam do fato de que o eixo da Terra tem uma inclinação de 23,5oem relação sua órbita em torno do Sol. As variações sazonais na distribuição de radiação para a superfície terrestre levam às variações na intensidade e duração dos ventos continentais, que compreende as monções e brisas.
As monções consistem em ventos periódicos que tem como característica a mudança de direção a cada seis meses, ou seja, vai em uma direção em uma estação do ano e muda em outra.
De acordo com as variações na superfície da Terra, são variáveis as capacidades de refletir, absorver e emitir o calor do Sol em cada um dos tipo de superfície. Em relação a mar-continente encontram-se as brisas, caracterizadas por serem ventos periódicos que sopram do mar ao continente e vice-versa. Durante o dia, por causa da maior incidência de raios solares na Terra, a temperatura do ar aumenta, assim, a corrente de ar vai do mar ao continente, a famosa brisa marítima. Durante à noite, a temperatura do ar é mais fria do que a da água, como consequência, forma-se a brisa terrestre, que vai da terra para o mar e tende a ser menos intensa do que a marítima devido a menor diferença de temperatura entre ar e água.
Há ainda outro tipo de vento que é denominado “ventos locais”. Este são originados devido a fatores mais específicos, pois dependem das características da região onde sopram tornando-se bastante individualizados. Como, por exemplo, acontece em regiões montanhosas, onde, durante o dia o ar quente das encostas da montanha sobe, enquanto o ar frio do topo desce ao vale a fim de substituir o ar que subiu. Durante a noite, o processo é inverso.
Como resultado, a intensidade dos ventos é um fator importante para o estudo de instalação de uma central eólica. Por isso, deve-se levar em consideração todos os fatores que influenciam na direção, velocidade, intensidade e tendências do vento na região onde o projeto será realizado.
Os fatores que influenciam no regime dos ventos são, as características topográficas da região e a rugosidade do solo - vegetação; utilização das terras e construções, pois podem influenciar na velocidade dos ventos; a altura de onde se deseja fazer a instalação; os obstáculos que possam existir no local e arredores; relevo, que influencia diretamente na aceleração ou desaceleração no escoamento de ar.
 
Como acontece?
O vento é uma energia cinética, que pode ser transformada em energia mecânica e elétrica.
O vento faz girar as lâminas da turbina (também conhecida como aerogerador), a ventoinha dessa turbina é ligada a um eixo central, o qual tem em cima um fuso rotativo. O eixo está ligado a uma caixa de transmissão que por sua vez aumenta a velocidade de rotação. Ao transmissor está conectado um gerador que é responsável pela produção da energia elétrica. Para que não haja rotação exagerada da ventoinha, a turbina conta com um sistema de abrandamento quando o vento está muito forte.
A capacidade de geração de energia depende das condições do vento e do tamanho das turbinas. Em relação aos ventos, o mais importante não é que sejam fortes, mas sim, que sejam regulares e constantes.
A estrutura de uma turbina (aerogerador) simples conta com três partes:
Pás do rotor: Atuam como barreiras para o vento. Este choca com as pás as faz entra em movimento, dessa forma, transfere parte de sua energia para o rotor.
Eixo: é conectado ao cubo do rotor, ou seja, quando este gira, o eixo gira junto, assim sendo, o rotor transfere sua energia mecânica ao eixo, que por sua vez, está conectado ao gerador na outra extremidade.
Gerador: Consiste em um dispositivo de propriedades eletromagnéticas para induzir tensão elétrica. Essa tensão é a força responsável por mover a corrente elétrica de um ponto ao outro. Um gerador simples é formado por ímãs e um condutor, este consiste em um fio enrolado em forma de bobina. Dentro do gerador, eixo conecta-se a um conjunto de ímãs que estão localizados ao redor da bobina. O rotor gira o eixo que por sua vez gira os ímãs, estes geram tensão na bobina, ou seja, corrente elétrica, que é distribuída através de linhas de energia elétrica.
 
Gerando eletricidade
A energia mecânica criada pela movimentação das turbinas é convertida em energia elétrica através de geradores elétricos, este giram em torno de seu próprio eixo induzindo (pela lei Faraday) uma corrente elétrica em seus pólos.
O tamanho dos geradores variam e podem ser de dois tipos “AC” ou “DC”. O primeiro converte a energia para corrente alternada, enquanto que o segundo para a forma de corrente contínua.
Nos geradores “DC”, a corrente contínua de energia elétrica carrega uma bateria para seu uso posterior. Esta função requer um banco grande de baterias para que seja possível uma quantidade suficiente de energia. Outra questão é o fato de que a maioria dos aparelhos hoje são projetos para funcionar em corrente alternada pela facilidade de transporte, pois no sistema “DC” ainda há a necessidade de ser ligado um sistema inversor para ser possível ligar esses aparelhos. Por outro lado, este tipo de corrente permite que em momentos que não haja vento, ainda pode-se ter energia disponível.
Quanto aos geradores “AC”, por gerarem corrente alternada, os aparelhos podem ser ligados diretamente. Porém, não é possível armazenar energia, portanto faz-se necessário ratificá-la por meio de diodos para a forma contínua e armazenar em baterias. Outra questão é o fato de que os geradores de corrente alternada geram correntes em frequências que variam de acordo com a velocidade de giro do rotor, ou seja, variam conforme a intensidade dos ventos. A fim de acabar com este problema, pois o nossos sistema de energia deve estar em torno de 60 Hz, faz-se necessário ligar ao sistema ao inversor síncrono, que consiste em um dispositivo capaz de manter a frequência em torno deste número.
Depois, a corrente é encaminhada à caixa de fusíveis passando por um dispositivo seletor, o qual é responsável por verificar se a corrente gerada pelo cata-vento é suficiente para suprir as necessidades do local. Quando a corrente não é suficiente, este dispositivo seletor passa a permitir a entrada de energia fornecida pelo sistema de eletrificação das ruas. Dessa forma, a energia “de fora” só é usada quando as condições do vento não são ideais para o funcionamento dos equipamentos elétricos.
 
Condições ambientais
Antes da instalação de turbinas de energia eólica em determinada região, faz-se necessário um estudo sistemático de coleta e análise de dados sobre a velocidade e a intensidade dos ventos, a fim de avaliar o potencial bruto ou teórico de aproveitamento da energia eólica.
A energia é considerada aproveitável se for igual ou superior a 500 W/m2 a uma altura de 50 metros e uma velocidade mínima do vento de 7 a 8 m/s. De acordo com a Organização Mundial de Meteorologia, apenas 13% da superfície terrestre apresenta estas condições. Ainda assim o potencial elétrico eólico bruto mundial é de 500.00 TWh/ ano, porém agregando-se as restrições sócio-ambientais, esse valor cai para apenas 53.000 TWh.
Turbinas na fazenda de John Hildebrand alimentam o sistema da Bonneville Power Administration.Foto de Leah Nash
No Brasil, as pequenas centrais tornam-se ideais para suprir pequenas localidades que estão distantes da rede elétrica. Já as centrais de grande porte têm potencial para atender uma parte do Sistema Integrado Nacional, SIN, o que promove significativas vantagens tais como, redução de poluentes atmosféricos; diminuição da necessidade de criação de reservatórios; independência em relação ao risco da sazonalidade hidrológica e luz.
Entre as desvantagens trazidas pela energia eólica destacam-se os impactos sonoros, visuais e interferências eletromagnéticas. Os primeiros são conquência do funcionamento dos rotores e podem variar conforme o equipamento instalado. O ruído causado deve atender às normas e padrões estabelecidos pela legislação.
Já os transtornos visuais são decorrentes do agrupamento de torres e turbinas (aerogeradores), sobretudo nas “fazendas eólicas”, que consistem em centrais eólicas com um número grande de turbinas.
As interferências eletromagnéticas podem causar perturbações nos sistemas de comunicação, como rádio, televisão, entre outros. Além disso, as pás podem interferir em rotas de aves migratórias, portanto este fator deve ser levado em conta nos estudos realizados antes da instalação.
 
Parque eólico instalado no Mar do Norte
Fontes:
Wikipédia
ABC da Energia
Planeta Sustentável
FEM - UNICAMP
Ambiente
Energia Eólica – Princípios e Tecnologia
ANEEL
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